Les caractéristiques physiques du laser

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Le laser est une sorte de rayonnement optique qui utilise le principe du rayonnement stimulé d'atomes ou de molécules pour exciter la substance active. Tous les photons d'un même faisceau laser ont la même fréquence, la même phase et la même polarisation et la même direction de propagation. Par conséquent, le laser est un rayonnement lumineux cohérent avec une bonne monochromaticité, une forte directivité et une luminosité extrêmement élevée. La technologie de traitement laser est une ingénierie systématique intégrant la lumière, la mécanique et l'électricité. Il recoupe également de nombreuses disciplines telles que la physique, les matériaux, les machines et l'automatisation. C'est l'un des domaines frontaliers du développement scientifique et technologique. La technologie et les équipements laser se sont développés rapidement ces dernières années et ont suscité une attention croissante de la part des pays du monde entier.

Caractéristiques du laser

En tant que lumière cohérente, le laser présente de nombreuses caractéristiques.

Bonne monochromaticité

L'essence de la lumière est une sorte de rayonnement d'ondes électromagnétiques. Pour le rayonnement électromagnétique, plus la longueur de cohérence est longue, plus la largeur de la raie spectrale est étroite et plus la couleur est pure, c'est-à-dire meilleure est la monochromaticité de la lumière. En prenant le laser HeNe comme exemple, la longueur de cohérence laser est d'environ 4×10⁴m. Avant l'avènement des lasers, la meilleure source de lumière monochromatique était une lampe à krypton, qui produisait une longueur cohérente de rayonnement lumineux d'environ 0,78 m. L'excitation visible est la source lumineuse la plus simple au monde.

Haute luminosité

La haute luminosité est une autre caractéristique remarquable du laser. En général, l'intensité du rayonnement lumineux émis par la zone émettrice de lumière unitaire ΔS, la largeur du rayonnement lumineux unitaire et l'angle de divergence sont définis comme la luminosité monochromatique B_?? de la source lumineuse.

B_?? =P/ΔSΔνθ² (2.1)

Dans la formule, P est la puissance du laser.

Bien que la puissance totale émise par le soleil soit élevée, la largeur de rayonnement lumineux est très large, l'angle de divergence est grand et la luminosité monochromatique est encore très faible.

Bien que Δν et soient petits, le laser a une luminosité monochromatique élevée. Il est rapporté que la luminosité monochromatique laser B_?? produite par les lasers à haute puissance est même 100 000 milliards de fois plus élevée que celle du soleil.

Forte directionnalité

On voit d'après le mécanisme de génération du laser que dans la condition de milieu de propagation uniforme, l'angle de divergence du laser n'est limité que par l'engagement ;

θ=1.22λ/D (2.2)

Dans la formule, est la longueur d'onde et D est le diamètre du spot de la source lumineuse.
La distance entre la terre et la surface de la lune est d'environ 3,8×10⁵km. Le faisceau laser atteint la lune avec la meilleure focalisation, et son diamètre de spot n'est que de quelques dizaines de mètres.

Bonne Cohérence

L'intervalle de temps le plus long pendant lequel la lumière produit de la cohérence est appelé temps de cohérence . Dans le temps de cohérence, la distance la plus éloignée parcourue par la lumière est appelée longueur de cohérence Lc.

L_c =cτ=λ²/Δλ (2.3)

Dans la formule, c est la vitesse de la lumière.
Du fait que la bande passante laser est très petite, la longueur de cohérence Lc est très longue. En effet, si la monochromaticité est bonne, la cohérence est bonne, et la longueur de cohérence est également plus longue.

Énergie hautement concentrée

Certains lasers militaires, aéronautiques, médicaux et industriels peuvent produire une énergie laser élevée. Par exemple, la puissance de sortie de lasers pour la fusion nucléaire peut atteindre 10¹⁸W. Il peut surmonter la force répulsive entre les noyaux et réaliser une réaction de fusion nucléaire. Avec le développement de la technologie des impulsions laser ultracourtes, les gens peuvent utiliser la technologie d'amplification des impulsions pour obtenir des lasers. Avec une puissance de crête jusqu'à 10¹⁵W de dispositifs laser saphir dopé Ti utilisés pour générer des impulsions laser extrêmement courtes.

Le principe de base de la génération laser

L'interaction de la lumière et de la matière

Hypothèses de base de la théorie atomique

Hypothèse de l'état stationnaire de l'atome Toute matière est composée d'atomes. Le système atomique est dans une série d'états d'énergie discontinus. Autour du noyau, l'orbite des électrons est discontinue et l'atome est dans un état stable à énergie constante. C'est ce qu'on appelle l'état stationnaire de l'atome, et l'état correspondant à la plus basse énergie de l'atome est appelé l'état fondamental.

Si l'électron dans l'orbite externe de l'atome obtient une certaine quantité d'énergie de l'extérieur. L'électron sautera au mouvement orbital externe. L'énergie de l'atome augmente, et à ce moment l'atome est appelé un atome dans un état excité.

Conditions de fréquence L'atome passe d'un état stationnaire E₁ à un autre état stationnaire E2. La fréquence est déterminée par la formule suivante.

hν= E₂ – E₁ (2.4)

Une sorte de lumière monochromatique correspond à un photon produit par la même transition d'un atome. hν est l'énergie d'un photon.

L'interaction entre le champ de rayonnement et la matière, en particulier l'interaction de co-résonance, a jeté les bases physiques de l'avènement et du développement des lasers. Lorsque la fréquence de l'onde électromagnétique incidente est cohérente avec la fréquence de résonance du milieu, une absorption de résonance (ou un gain) se produira. La génération et l'interaction de la lumière et de la matière impliqueront la coopération du champ et du médium.

Absorption stimulée

En supposant que les deux niveaux d'énergie de l'atome sont E₁ et E₂, et E₁< E₂ s'il y a un photon d'énergie satisfaisant la formule (2.4) irradié, l'atome peut absorber l'énergie de ce photon et passer du bas niveau E₁ état au plus haut niveau Le E₂ Etat. Ce type d'absorption atomique de photons et la transition d'un niveau d'énergie faible à un niveau d'énergie élevé est appelé processus d'absorption stimulée de l'atome (figure 2.2).

Rayonnement spontané

L'état d'un atome à un niveau d'énergie élevé après avoir été excité est instable. Généralement, il ne peut rester que de l'ordre de 10^-8s. Il reviendra spontanément à un état de basse énergie sans influence extérieure, et en même temps rayonnera de l'énergie vers le monde extérieur. Pour le photon avec hν = E₂-E₁, ce processus est appelé processus d'émission spontanée de l'atome. Le rayonnement spontané est aléatoire, la direction d'émission et la phase initiale de chaque photon de rayonnement sont différentes et le rayonnement de chaque atome est indépendant l'un de l'autre, de sorte que la lumière du rayonnement spontané est incohérente. Figure 2.1.

Émission stimulée et amplification optique

Un atome à un niveau d'énergie d'état excité, s'il est excité par un photon d'énergie externe hν et satisfaisant à la formule (2.4) avant d'émettre une émission spontanée, il peut passer d'un état de haute énergie à un état de basse énergie, et à émettent en même temps des photons avec la même fréquence, la même phase, la même direction et même le même état de polarisation avec des photons externes. Ce processus est appelé émission stimulée d'atomes [Figure 2.2]

Si un photon incident déclenche une émission stimulée et ajoute un photon, ces deux photons continuent de déclencher une émission stimulée et ajoutent deux photons supplémentaires, puis quatre photons se multiplient en huit photons… et ainsi de suite, sous l'action d'un photon incident, le système atomique peut obtenir un grand nombre de photons avec exactement le même état et les mêmes caractéristiques. Ce phénomène est appelé amplification optique. Par conséquent, le processus d'émission stimulée amène le système atomique à émettre un grand nombre de photons avec la même fréquence, la même phase, la même direction de propagation et le même état de polarisation que la lumière incidente, c'est-à-dire des photons identiques. L'amplification de la lumière provoquée par le rayonnement stimulé est un concept de base important dans le mécanisme de génération laser.

Renversement de population

A partir de la définition de l'émission spontanée et de l'émission stimulée, on peut voir que l'émission spontanée du mécanisme d'émission de lumière des sources lumineuses ordinaires est dominante, mais l'émission des lasers est principalement une émission stimulée d'atomes. Afin que le rayonnement stimulé domine le système atomique et qu'il continue à émettre des lasers. Nous devrions essayer de changer la distribution du système atomique lorsqu'il est en équilibre thermique afin que le nombre d'atomes aux niveaux d'énergie élevés continue à dépasser le nombre d'atomes aux niveaux d'énergie faibles, c'est-à-dire que le nombre de particules soit atteint.

Afin de réaliser l'inversion de population, l'énergie doit être introduite dans le système de l'extérieur. Pour qu'autant de particules que possible dans le système absorbent de l'énergie. Puis passage d'un niveau d'énergie bas à un niveau d'énergie élevé. Ce processus est appelé processus d'excitation ou de pompage. Les procédés d'excitation comprennent généralement l'excitation lumineuse, l'excitation par décharge gazeuse, l'excitation chimique et même l'excitation par énergie nucléaire. Par exemple, les lasers à rubis utilisent une excitation optique, les lasers à hélium-néon utilisent une excitation électrique et les lasers à colorant utilisent une excitation chimique.

Production laser Conditions

Dans une substance active qui a atteint une inversion de population (telle qu'une excitation lumineuse ou une excitation électrique), le rayonnement stimulé peut être dominé, mais le photon qui déclenche le premier rayonnement stimulé est généré par un rayonnement spontané, et le rayonnement spontané est aléatoire. Par conséquent, l'amplification lumineuse obtenue par rayonnement stimulé est également aléatoire et désordonnée dans l'ensemble. Il nécessite l'ajout d'une série d'appareils.

Cavité optique

Deux miroirs parallèles l'un à l'autre sont installés aux deux extrémités du matériau de travail. Une cavité résonante optique est formée entre les deux miroirs. L'un est un miroir à réflexion totale et l'autre est un miroir à réflexion partielle.

Parmi les photons émis dans toutes les directions, à l'exception des photons se propageant selon la direction axiale. Ils quittent tous rapidement la cavité résonante optique, et seule la lumière le long de la direction axiale est amplifiée en continu, formant des oscillations dans la cavité d'avant en arrière. Par conséquent, dans le tube laser, la lumière échelonnée est amplifiée en continu pour former une lumière avec une plus grande amplitude. De cette façon, la lumière est réfléchie dans les deux sens entre les miroirs qui sont parallèles entre eux aux deux extrémités du tube. Ensuite, la lumière entièrement amplifiée traverse un miroir partiel pour émettre une lumière monochromatique avec la même phase.

Condition de seuil d'oscillation lumineuse

Du point de vue énergétique, bien que l'oscillation lumineuse augmente l'intensité lumineuse, l'absorption, la déviation et la projection de la lumière sur les deux faces d'extrémité et le support affaibliront en même temps l'intensité lumineuse. Ce n'est que lorsque le gain est supérieur à la perte que le laser peut être émis. Elle exige que la substance active et la cavité résonante remplissent la condition de « gain supérieur à la perte », également appelée condition de seuil.

Conditions de fréquence

Le rôle de la cavité résonante optique n'augmente pas seulement la longueur effective L de propagation de la lumière. Mais forme également une onde stationnaire légère entre les deux miroirs. En fait, la seule lumière qui satisfait les conditions d'ondes stationnaires peut être amplifiée par un rayonnement stimulé.

De L=kλ_m/2(k=1,2,3…),_m=c/nν, on a

=kc/2nL ou Δν=c/2nL (2.5)

Dans la formule, n est un nombre entier et c est la vitesse de la lumière.
La fréquence générée par le rayonnement stimulé dans le tube laser peut être obtenue à partir de l'équation (2.4)

=( E₂ – E₁ )/h (2.6)

Dans la formule, h est la constante de Planck.

Pour que la fréquence rencontre la formule (2.5) et la formule (2.6). La longueur de la cavité résonante doit être ajustée. En résumé, les conditions de base pour former un laser sont les suivantes.

• La substance active peut réaliser une inversion de population sous l'excitation de la source d'excitation.
• La cavité résonante optique peut amplifier en continu le rayonnement stimulé. C'est-à-dire satisfaire la condition de seuil selon laquelle le gain est supérieur à la perte.
• Satisfaire aux conditions de fréquence de la formule (2.5) et de la formule (2.6)

Paramètres caractéristiques de la qualité du faisceau laser

Les lasers ont été largement utilisés dans de nombreux domaines, de sorte que les exigences en matière de qualité du faisceau laser sont de plus en plus élevées. Les paramètres du faisceau (tels que la distribution de l'intensité lumineuse, la largeur du faisceau et l'angle de divergence, etc.) sont des facteurs importants qui déterminent l'effet des applications laser. Comment utiliser une méthode simple, précise et pratique pour mesurer et évaluer la qualité du faisceau des lasers émis par les lasers est devenu un problème clé dans la recherche en technologie laser. Les chercheurs ont utilisé les paramètres caractéristiques de focalisation du faisceau laser K_F, limite de diffraction multiple M² facteur, angle de divergence en champ lointain θ₀, facteur multiple limite de diffraction du faisceau β et rapport de Strehl S_r pour évaluer la qualité du faisceau laser, mais ces méthodes conviennent à différents L'évaluation de la qualité laser de l'application n'a pas réussi à former une norme unifiée pour évaluer la qualité du faisceau laser.

Paramètre caractéristique de focalisation du faisceau K_F

Le paramètre caractéristique de focalisation du faisceau Kf, également connu sous le nom de produit des paramètres du faisceau (BPP, beam parameters product), est défini comme 1/4 du produit du diamètre de taille du faisceau d₀ et l'angle de divergence en champ lointain du faisceau₀

K_F=d₀??₀/4 (2.7)

L'équation (2.7) décrit le principe selon lequel le produit du diamètre de la taille du faisceau et de l'angle de divergence en champ lointain est constant, et K_F est une constante dans l'ensemble du système de conversion de transmission de faisceau, qui convient à l'évaluation de la qualité du faisceau laser dans le domaine industriel

La limite de diffraction multiple M² les facteurs

En 1988, AE Siegman a défini le produit de largeur de faisceau exprimé par le deuxième moment basé sur le seuil spatial du faisceau réel et le seuil de fréquence spatiale comme la qualité du faisceau M² facteur, qui équivaut à la quantité infinie d'informations décrivant l'amplitude complexe de l'onde lumineuse, à travers la forme rectangulaire de second ordre pour extraire le facteur de combinaison, une description plus raisonnable de la qualité du faisceau laser, a été adoptée par l'Organisation internationale pour Standardisation 1SO/TC172/SC9/WG1 projet de norme en 1991. Le M² facteur est défini comme

M2 =(diamètre de taille de faisceau réel x angle d'émission de champ de faisceau réel )/(diamètre de taille de faisceau idéal x angle d'émission de champ de faisceau idéal)= (πd0θ0 )/(4λ ) (2,8)

Dans la formule, d₀ est le diamètre de la taille du faisceau laser : θ₀ est l'angle de divergence en champ lointain ; est la longueur d'onde.

Eux² Le facteur est un paramètre couramment utilisé pour évaluer la qualité des faisceaux laser et est également appelé facteur de qualité du faisceau. Cependant, il convient de souligner que la définition du M² est basé sur la définition matricielle de second ordre de la largeur du faisceau dans le seuil spatial et le seuil de fréquence spatiale. La largeur de la taille du faisceau du faisceau laser est déterminée par la distribution d'intensité lumineuse sur la section transversale de la taille du faisceau, et l'angle de divergence du champ lointain est déterminé par la distribution de phase. Par conséquent, le M² peut refléter les caractéristiques de distribution d'intensité et de distribution de phase du champ lumineux, et il caractérise la mesure dans laquelle un faisceau réel s'écarte de la vitesse limite de divergence de diffraction. Plus le M est grand² facteur, plus le faisceau marquant une divergence est rapide.

Angle de divergence en champ lointain

En supposant que le faisceau laser est transmis le long de l'axe z, l'angle de divergence en champ lointain est 0, exprimé par la formule asymptote comme

??₀=lim=(w(z))/z (2.9)

Dans la formule, w(z) est le rayon de taille du faisceau lorsque le laser se propage vers l'axe z. L'angle de divergence en champ lointain caractérise la divergence caractéristique du processus de propagation du faisceau, évidemment,₀ Plus la divergence du faisceau est grande, plus vite. Dans la mesure réelle, après focalisation ou expansion du faisceau laser mesuré à l'aide d'un système optique de focalisation ou d'un système de focalisation à expansion de faisceau, le rapport de la largeur de faisceau mesurée sur le plan focal à la distance focale du système optique de focalisation est utilisé pour obtenir la distance -angle de divergence de champ. À cause de θ₀, la taille peut être modifiée par l'expansion ou la focalisation du faisceau (comme l'utilisation d'un télescope pour étendre le faisceau), il n'est donc pas précis d'utiliser l'angle de divergence en champ lointain comme critère de qualité du faisceau.

Luminosité du faisceau laser B

La luminosité est un paramètre important décrivant les caractéristiques des lasers. Selon les concepts optiques traditionnels, la luminosité d'un faisceau laser fait référence à l'énergie émise par une unité de surface de la surface de la source lumineuse perpendiculaire à un angle solide unitaire, exprimée en

B =P/ΔSΔΩ (2.10)

Dans la formule, P est la puissance totale (ou énergie) émise par la source lumineuse ; ΔS est la zone d'émission de lumière de la source lumineuse unitaire ; est l'angle solide d'émission. Le faisceau laser est transmis dans un milieu sans perte ou dans un système optique sans perte, et la luminosité de la source lumineuse reste inchangée.

Facteur de qualité de faisceau équivalent M²_e

Etant donné qu'à l'intérieur de la taille de spot équivalente définie par le moment du second ordre, le pourcentage de la puissance du faisceau par rapport à la puissance totale dépend de la distribution du champ lumineux, une méthode de description de la qualité du faisceau stipule : la taille du spot de taille du faisceau et la distance -angle de divergence de champ défini dans la zone, le rapport de la puissance laser à la puissance totale est de 86,5%, et son facteur de qualité de faisceau équivalent est

M²_e =πω86,5θ86,5/λ (2.11)

Dans la formule, est le rayon de taille du faisceau ; est l'angle de divergence en champ lointain.

Facteur multiple limite de diffraction du faisceau β

A partir de l'angle de divergence en champ lointain . La valeur peut être définie comme

β=(angle de divergence en champ lointain du faisceau réel)/(angle de divergence en champ lointain du faisceau idéal)=θ₀/θ_e (2.12)

La valeur caractérise le degré auquel la qualité de faisceau du faisceau laser mesuré s'écarte de la qualité de faisceau idéale dans les mêmes conditions. La valeur du laser mesuré est généralement supérieure à 1. Plus la valeur est proche de 1, meilleure est la qualité du faisceau. β=1 est la limite de diffraction. La valeur est principalement utilisée pour évaluer le faisceau laser qui vient d'être émis par le résonateur laser. Il peut raisonnablement évaluer la qualité du faisceau en champ proche. Il s'agit d'un indice de performance statique et ne prend pas en compte l'effet de l'atmosphère sur la turbulence de diffusion laser. La mesure de la valeur β dépend de Pour la mesure précise de l'angle de divergence du champ lointain du faisceau, elle n'est pas adaptée à l'évaluation des faisceaux longue distance.

Rapport de force S_r

Rapport de force S_r est défini comme

S_r=(intensité lumineuse maximale sur l'axe optique réel)/(intensité lumineuse maximale sur l'axe optique) / =exp-(2π/λ)2(ΔΦ)2 (2.13)

Dans la formule, fait référence à la distorsion du front d'onde qui provoque la dégradation de la qualité du faisceau. S_r reflète l'intensité lumineuse maximale sur l'axe du champ lointain. Il dépend de la distorsion du front d'onde et peut mieux refléter l'influence de la distorsion du front d'onde du faisceau sur la qualité du faisceau. Le rapport de Strehl est souvent utilisé en optique atmosphérique, principalement utilisé pour évaluer les performances des systèmes d'optique adaptative afin d'améliorer la qualité du faisceau. Mais S_r reflète uniquement l'intensité lumineuse maximale sur l'axe optique du champ lointain et ne peut pas donner la distribution d'intensité lumineuse qui préoccupe les applications énergétiques. De plus, il ne peut refléter qu'approximativement la qualité du faisceau et ne peut pas fournir de conseils très utiles dans la conception de systèmes optiques.

Rapport énergétique environnant Valeur BQ

Le rapport d'énergie environnante, également connu sous le nom de rapport de puissance sur la surface de la cible (ou dans le canon), est défini comme l'énergie environnante (ou la puissance) du point réel dans la taille spécifiée et l'énergie environnante (ou la puissance) du spot idéal dans la même taille et l'idéal dans la même taille La racine carrée du rapport de l'énergie (ou puissance) entourant le spot. Son expression est

BQ=√(E/E₀) ou BQ=√(P/P₀) (2.14)

Dans la formule, E₀ (Ou P₀) et E (ou P) sont respectivement l'énergie (ou puissance) environnante du spot de faisceau idéal et l'énergie (ou puissance) environnante du spot de faisceau réelle mesurée dans la taille spécifiée sur la cible. La valeur BQ est pour la transmission et le couplage d'énergie. Ce type d'application combine la concentration d'énergie du faisceau sur la cible pour évaluer la qualité du faisceau en champ lointain. La valeur BQ inclut les facteurs atmosphériques. Il s'agit d'un indice complet qui décrit la qualité du faisceau du point de vue des applications d'ingénierie et des effets des dommages et est un indice dynamique du système laser affecté par l'atmosphère. La valeur BQ relie directement la qualité du faisceau et la densité de puissance et reflète la concentration d'énergie. Il a une signification pratique pour l'étude du couplage énergétique et des effets destructeurs du laser puissant et de la cible.

En plus des paramètres ci-dessus, la pureté de mode, la cohérence spatiale et la cohérence globale sont souvent utilisées pour décrire la qualité du faisceau des lasers. Divers paramètres d'évaluation de la qualité du faisceau ont leurs propres avantages et limites. Le tableau 2.1 résume les avantages et les inconvénients de divers paramètres et domaines applicables.

Paramètres	Avantages	Limites	Applications
KF	Comprend uniquement les deux facteurs de diamètre du faisceau et l'angle de divergence du champ lointain du faisceau	Il ne peut pas refléter la distribution spatiale de l'intensité lumineuse	Il convient aux domaines industriels
M2 facteur	Ils peuvent refléter objectivement l'angle de divergence en champ lointain et le contenu en mode d'ordre élevé du faisceau et peuvent analyser et caractériser la relation de transformation de transmission du faisceau.	L'introduction de paramètres de longueur d'onde n'est pas adaptée à la comparaison entre la qualité des faisceaux laser de différentes longueurs d'onde	La largeur et la divergence du faisceau définies sur la base de l'angle de moment du deuxième ordre, adaptées au domaine de transmission linéaire du faisceau
??0	Il caractérise le degré de divergence du faisceau	Ne peut pas refléter la distribution spatiale de l'intensité lumineuse	Compréhension simple des caractéristiques du faisceau
B	Caractérise la cohérence du faisceau	Ne peut pas refléter la distribution spatiale de l'intensité lumineuse	Affichage et éclairage
M2e	Définit la largeur du faisceau conformément à 86.5% de l'intensité lumineuse	L'introduction de paramètres de longueur d'onde n'est pas adaptée à la comparaison entre la qualité des faisceaux laser de différentes longueurs d'onde
??	Un seul paramètre de doit être mesuré	peut être modifié, la sélection de faisceau standard n'est pas uniforme	L'évaluation de la qualité du faisceau laser à cavité instable
Sr	Peut refléter objectivement l'intensité lumineuse maximale sur l'axe	Ne peut pas refléter la distribution spatiale de l'intensité lumineuse	Optique atmosphérique et radar optique
Vanne BQ	Reflète la concentration d'énergie sur la tache focale dans le champ lointain du faisceau	La puissance dans le canon peut être obtenue à partir de différentes distributions d'énergie du faisceau	La qualité du faisceau laser à cavité instable est évaluée
Pureté du mode	Une mesure de l'écart de la distribution réelle de l'intensité du faisceau par rapport à la distribution idéale de l'intensité du faisceau	Pas universel
Cohérence spatiale	Reflète la cohérence spatiale du faisceau	Pas universel
Le degré de cohérence global	Reflète la cohérence spatiale du faisceau	Pas universel

La forme de sortie du faisceau laser

La forme spatiale du faisceau laser est déterminée par la cavité résonante du laser. Dans des conditions aux limites données, la distribution du champ électromagnétique dans la cavité résonante est déterminée en résolvant l'équation d'onde. Dans une cavité symétrique circulaire, il existe une forme spatiale simple du champ électromagnétique transverse.

La distribution transversale du champ électromagnétique dans la cavité est appelée le mode transverse dans la cavité, qui est exprimé par TEM_mn. TEM₀₀ représente le mode fondamental, TEM₀₁, TEM₀₂ et TEM₁₀, TEM₁₁, TEM₂₀ représentent les modes d'ordre inférieur, et TEM₀₃, TEM_04, et TEM₃₀, TEM₃₃, TEM₂₁, etc. représentent des modes d'ordre élevé. La sortie de la plupart des lasers est le mode d'ordre élevé. Afin d'obtenir la sortie du mode fondamental ou du mode d'ordre inférieur, il est nécessaire d'adopter la technologie de sélection de mode.

Actuellement, les techniques de sélection de modèles couramment utilisées reposent sur l'augmentation de la perte de diffraction dans la cavité. Une méthode consiste à augmenter la longueur de la cavité en utilisant une cavité multiréfractive pour augmenter la perte de diffraction dans la cavité. L'autre méthode consiste à réduire le diamètre du tube à décharge du laser ou à augmenter la longueur de la cavité. Un diaphragme à petite ouverture est ajouté à la cavité. La perte de diffraction du faisceau de mode fondamental est très importante et peut atteindre la limite de diffraction, de sorte que l'angle de divergence du faisceau de mode fondamental est petit. Dans la perspective d'augmenter l'efficacité de pompage laser, le volume de mode de cavité doit remplir autant que possible tout le milieu actif, c'est-à-dire dans le laser à tube long, le TEM₀₀ la sortie de mode domine, tandis que dans l'oscillation laser en mode d'ordre élevé, le mode fondamental ne représente qu'une petite quantité de la puissance laser. Partie, donc la puissance de sortie du mode d'ordre élevé est grande.