레이저의 물리적 특성

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레이저는 원자 또는 분자의 유도 복사 원리를 사용하여 작동 물질을 여기시키는 일종의 광학 복사입니다. 동일한 레이저 빔의 모든 광자는 동일한 주파수, 동일한 위상, 동일한 편광 및 전파 방향을 갖습니다. 따라서 레이저는 좋은 단색성, 강한 방향성 및 매우 높은 밝기를 갖는 간섭성 광선입니다. 레이저 가공 기술은 빛, 기계 및 전기를 통합하는 체계적인 엔지니어링입니다. 또한 물리학, 재료, 기계 및 자동화와 같은 많은 분야와 교차합니다. 그것은 과학 및 기술 개발의 최전선 영역 중 하나입니다. 레이저 기술과 장비는 최근 몇 년 동안 빠르게 발전하여 전 세계 국가에서 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다.

레이저의 특징

간섭광으로서 레이저는 많은 특성을 가지고 있습니다.

좋은 단색도

빛의 본질은 일종의 전자기파 복사입니다. 전자파 방사의 경우 간섭성 길이가 길수록 스펙트럼 선폭이 좁아지고 색상이 더 순수해집니다. 즉, 빛의 단색도가 더 좋습니다. HeNe 레이저를 예로 들면 레이저 간섭성 길이는 약 4×10입니다.⁴미디엄. 레이저의 출현 이전에 가장 좋은 단색 광원은 약 0.78m의 일관된 빛 복사를 생성하는 크립톤 램프였습니다. 가시적 여기(Visible excitation)는 세상에서 가장 단순한 광원입니다.

고휘도

고휘도는 레이저의 또 다른 뛰어난 기능입니다. 일반적으로 단위 발광 영역(ΔS)에서 방출되는 광의 방사 강도, 단위 광 방사 폭(Δν) 및 발산각(θ)을 단색 밝기 B로 정의합니다._λ 광원의.

NS_λ =P/ΔSΔνθ² (2.1)

공식에서 P는 레이저 출력입니다.

태양에 의해 방출되는 총 전력은 높지만 광 방사 폭 Δν는 매우 넓고 발산각 θ는 크며 단색 밝기는 여전히 매우 작습니다.

Δν 및 θ는 작지만 레이저는 단색 밝기가 높습니다. 레이저 단색 밝기 B_λ 고출력 레이저로 생성되는 에너지는 태양보다 100조 배나 더 높습니다.

강한 방향성

균일한 전파 매체의 조건에서 레이저의 발산각 θ는 결합에 의해서만 제한된다는 레이저 발생 메커니즘에서 볼 수 있습니다.

θ=1.22λ/D(2.2)

공식에서 λ는 파장이고 D는 광원 스폿의 직경입니다.
지구와 달 표면 사이의 거리는 약 3.8×10⁵km. 레이저 빔은 최상의 초점으로 달에 도달하고 그 스폿 직경은 수십 미터에 불과합니다.

좋은 일관성

빛이 간섭을 일으키는 가장 긴 시간 간격을 간섭 시간 τ라고 합니다. 간섭 시간에서 빛이 이동하는 가장 먼 거리를 간섭 길이 Lc라고 합니다.

엘_씨 =cτ=λ²/Δλ (2.3)

공식에서 c는 빛의 속도입니다.
레이저 대역폭(Δλ)이 매우 작기 때문에 간섭 길이(Lc)가 매우 깁니다. 실제로 단색도가 좋으면 가간섭도 좋고 가간섭 길이도 길다.

고농축 에너지

일부 군용, 항공, 의료 및 산업용 레이저는 높은 레이저 에너지를 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 출력 전력 레이저 핵융합의 경우 최대 10¹⁸W. 핵 사이의 반발력을 극복하고 핵융합 반응을 실현할 수 있다. 레이저 초단파 펄스 기술의 발전으로 사람들은 펄스 증폭 기술을 사용하여 레이저를 얻을 수 있습니다. 최대 전력 10으로¹⁵매우 짧은 레이저 펄스를 생성하는 데 사용되는 Ti 도핑된 사파이어 레이저 장치의 W.

레이저 생성의 기본 원리

빛과 물질의 상호작용

원자론의 기본 가정

원자 정지 상태의 가정 모든 물질은 원자로 구성됩니다. 원자 시스템은 일련의 불연속 에너지 상태에 있습니다. 핵 주변에서는 전자의 궤도가 불연속적이며 원자는 일정한 에너지로 안정된 상태에 있습니다. 원자의 정지 상태라고 하며, 원자의 가장 낮은 에너지에 해당하는 상태를 바닥 상태라고 합니다.

원자의 외부 궤도에 있는 전자가 외부로부터 일정량의 에너지를 얻는다면. 전자는 외부 궤도 운동으로 점프합니다. 원자의 에너지가 증가하는데 이때 원자는 들뜬 상태의 원자라고 한다.

주파수 조건 원자가 하나의 정지 상태에서 전이 E₁ 다른 정지 상태로 E2. 주파수 ν는 다음 공식에 의해 결정됩니다.

hv= E₂ – 전자₁ (2.4)

일종의 단색광은 원자의 동일한 전이에 의해 생성된 광자에 해당합니다. hν는 광자의 에너지입니다.

방사선장과 물질 사이의 상호작용, 특히 공명 상호작용은 레이저의 출현과 개발을 위한 물리적 토대를 마련했습니다. 입사 전자파의 주파수가 매질의 공진 주파수와 일치하면 공진 흡수(또는 이득)가 발생합니다. 빛과 물질의 생성과 상호작용은 현장과 매체의 협력을 포함할 것이다.

자극 흡수

원자의 두 에너지 준위가 E라고 가정하면₁ 그리고 전자₂, 및 전자₁< E₂ 식 (2.4)를 만족하는 에너지를 가진 광자가 조사되면 원자는 이 광자의 에너지를 흡수하여 낮은 수준의 E에서 전이할 수 있습니다.₁ 높은 수준의 The E₂ 상태. 이러한 종류의 광자의 원자 흡수와 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로의 전환을 원자의 자극 흡수 과정이라고 합니다(그림 2.2).

자연방사선

여기된 후 높은 에너지 준위에서 원자의 상태는 불안정합니다. 일반적으로 10개 정도만 유지될 수 있습니다.^-8NS. 외부 영향 없이 저절로 저에너지 상태로 돌아가면서 동시에 외부 세계로 에너지를 방출한다. hν = E인 광자의 경우₂-이자형₁, 이 과정을 원자의 자발적 방출 과정이라고 합니다. 자연방사선은 무작위적이며, 방사선의 각 광자의 방출 방향과 초기 위상이 다르며, 각 원자의 방사선은 서로 독립적이므로 자연방사선의 빛은 일관성이 없습니다. 그림 2.1.

자극 방출 및 광 증폭

들뜬 상태 에너지 준위의 원자가 외부 에너지 hv를 갖고 식 (2.4)를 만족하는 광자에 의해 여기되면 자연 방출을 방출하기 전에 고에너지 상태에서 저에너지 상태로 전이할 수 있으며, 동일한 시간에 동일한 주파수, 동일한 위상, 동일한 방향, 심지어 동일한 편광 상태의 광자를 외부 광자와 함께 방출합니다. 이 과정을 원자의 유도방출이라고 한다[그림 2.2]

입사 광자가 유도 방출을 유발하고 광자 1개를 추가하면 이 두 광자는 계속 유도 방출을 유발하고 2개의 광자를 더 추가한 다음 4개의 광자가 8개의 광자로 증식합니다… 정확히 동일한 상태와 특성을 가진 많은 수의 광자를 얻을 수 있습니다. 이 현상을 광증폭이라고 합니다. 따라서 유도 방출 과정은 원자 시스템이 입사광과 동일한 주파수, 동일한 위상, 동일한 전파 방향 및 동일한 편광 상태를 갖는 많은 수의 광자, 즉 동일한 광자를 방출하도록 합니다. 유도 방사선에 의한 광 증폭은 레이저 생성 메커니즘의 중요한 기본 개념입니다.

인구 반전

자발방출과 유도방출의 정의를 보면 일반 광원의 발광 메커니즘의 자발방출이 우세하지만 레이저의 방출은 주로 원자의 유도방출임을 알 수 있다. 자극된 방사선이 원자 시스템을 지배하고 레이저를 계속 방출하도록 하기 위해. 우리는 높은 에너지 준위의 원자 수가 계속 낮은 에너지 준위의 원자 수, 즉 입자 수를 초과하도록 열 평형 상태에 있을 때 원자 시스템의 분포를 변경하려고 노력해야 합니다.

인구 역전을 달성하려면 외부에서 시스템에 에너지를 입력해야 합니다. 시스템의 가능한 많은 입자가 에너지를 흡수하도록 합니다. 그런 다음 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 전환합니다. 이 과정을 여기 또는 펌핑 과정이라고 합니다. 여기 방법에는 일반적으로 광 여기, 가스 방전 여기, 화학적 여기, 심지어 원자력 에너지 여기가 포함됩니다. 예를 들어, 루비 레이저는 광학 여기를 사용하고 헬륨-네온 레이저는 전기 여기를 사용하며 염료 레이저는 화학적 여기를 사용합니다.

레이저 생산 정황

집단 역전을 달성한 작동 물질(예: 광 여기 또는 전기 여기)에서는 자극 방사선이 우세할 수 있지만 먼저 자극 방사선을 유발하는 광자는 자발적 방사선에 의해 생성되며 자발적 방사선은 무작위입니다. 따라서 자극 방사선에 의해 달성되는 광 증폭도 전체적으로 불규칙하고 무질서합니다. 일련의 장치를 추가해야 합니다.

광학 공동

서로 평행한 두 개의 거울이 작업 재료의 양 끝에 설치됩니다. 두 거울 사이에 광학 공명 공동이 형성됩니다. 하나는 전반사 거울이고 다른 하나는 부분 반사 거울입니다.

축 방향을 따라 전파하는 광자를 제외한 모든 방향으로 방출되는 광자 중. 그들은 모두 광학 공명 공동을 빠르게 떠나고 축 방향을 따라 빛만 지속적으로 증폭되어 공동에서 앞뒤로 진동을 형성합니다. 따라서 레이저 튜브에서는 단계적으로 조정된 빛이 지속적으로 증폭되어 더 큰 진폭의 빛을 형성합니다. 이러한 방식으로 빛은 튜브의 양쪽 끝에서 서로 평행한 거울 사이에서 앞뒤로 반사됩니다. 그런 다음 완전히 증폭된 빛은 부분 거울을 통과하여 동일한 위상의 단색 빛을 방출합니다.

광 진동의 임계값 조건

에너지 관점에서 볼 때, 빛의 진동은 빛의 강도를 증가시키지만, 동시에 두 끝면과 매질에서 빛의 흡수, 편향 및 투영은 빛의 강도를 약화시킵니다. 이득이 손실보다 클 때만 레이저를 출력할 수 있습니다. 그것은 "손실보다 큰 이득"의 조건을 충족시키기 위해 작동 물질과 공진 공동이 필요합니다. 임계 값 조건이라고도합니다.

주파수 조건

광학 공명 공동의 역할은 광 전파의 유효 길이 L을 증가시킬 뿐만 아니라. 그러나 또한 두 거울 사이에 가벼운 정상파를 형성합니다. 사실, 정상파 조건을 만족시키는 유일한 빛은 자극 복사에 의해 증폭될 수 있습니다.

L=kλ에서_N/2(k=1,2,3…), λ_N=c/nν, 우리는

ν=kc/2nL 또는 Δν=c/2nL(2.5)

공식에서 n은 정수이고 c는 빛의 속도입니다.
레이저 튜브의 유도 방사선에 의해 생성된 주파수 ν는 식 (2.4)에서 얻을 수 있습니다.

ν=( E₂ – 전자₁ )/시간(2.6)

공식에서 h는 플랑크 상수입니다.

주파수가 공식 (2.5) 및 공식 (2.6)을 충족하도록 합니다. 공진 캐비티의 캐비티 길이를 조정해야 합니다. 요약하면, 레이저를 형성하기 위한 기본 조건은 다음과 같다.

• 작동 물질은 여기 소스의 여기에서 인구 반전을 달성할 수 있습니다.
• 광학 공명 공동은 자극된 방사선을 지속적으로 증폭할 수 있습니다. 즉, 이득이 손실보다 크다는 임계 조건을 충족합니다.
• 식 (2.5)와 식 (2.6)의 주파수 조건을 만족

레이저 빔 품질의 특성 매개변수

레이저는 많은 분야에서 널리 사용되어 왔으며 레이저 빔 품질에 대한 요구 사항이 점점 높아지고 있습니다. 빔 매개변수(예: 광도 분포, 빔폭, 발산 각도 등)는 레이저 응용 프로그램의 효과를 결정하는 중요한 요소입니다. 레이저에서 방출되는 레이저의 빔 품질을 측정하고 평가하기 위해 간단하고 정확하며 실용적인 방법을 사용하는 방법이 레이저 기술 연구의 핵심 문제가 되었습니다. 연구원들은 레이저 빔 포커싱 특성 매개변수 K를 사용했습니다._NS, 회절 한계 배수 M² 인자, 원거리 발산각 θ₀, 빔 회절 한계 다중 계수 β 및 스트렐 비율 S_NS 레이저 빔 품질을 평가하기 위해, 그러나 이러한 방법은 다른 응용 프로그램에 적합합니다 레이저 품질 평가는 레이저 빔의 품질을 평가하기 위한 통일된 표준을 형성하는 데 실패했습니다.

빔 포커싱 특성 파라미터 K_NS

빔 매개변수 곱(BPP, 빔 매개변수 곱)이라고도 하는 빔 집속 특성 매개변수 Kf는 빔 허리 직경 d의 곱의 1/4로 정의됩니다.₀ 빔 원거리 발산각 θ₀

케이_NS=d₀θ₀/4 (2.7)

식 (2.7)은 빔 웨이스트 직경과 원거리 발산각의 곱이 일정하고 K_NS 는 빔 전송 변환 시스템 전체에서 상수로 산업 현장에서 레이저 빔 품질 평가에 적합합니다.

회절 한계 배수 M² 요인

1988년 AE Siegman은 실제 빔의 공간 임계값과 공간 주파수 임계값을 기반으로 2차 모멘트로 표현되는 빔 폭 곱을 빔 품질 M으로 정의했습니다.² 광파의 복잡한 진폭을 설명하는 무한한 양의 정보에 해당하는 계수를 2차 직사각형 형태로 추출하여 레이저 빔 품질에 대한 보다 합리적인 설명인 조합 계수를 추출하기 위해 국제기구에서 채택했습니다. 1991년 표준화 1SO/TC172/SC9/WG1 표준 초안. M² 요인은 다음과 같이 정의됩니다.

M2 =(실제 빔 웨이스트 직경 x 실제 빔 필드 방출 각도)/(이상적인 빔 웨이스트 직경 x 이상적인 빔 필드 방출 각도)= (πd0θ0 )/(4λ ) (2.8)

공식에서, d₀ 레이저 빔 허리의 직경: θ₀ 원거리 발산 각도입니다. λ는 파장입니다.

그들을² factor는 레이저 빔의 품질을 평가하기 위해 일반적으로 사용되는 매개변수이며 빔 품질 팩터라고도 합니다. 그러나 M의 정의는 다음과 같다.² 요소는 공간 임계값과 공간 주파수 임계값에서 빔 폭의 2차 행렬 정의를 기반으로 합니다. 레이저 빔의 빔 웨이스트 폭은 빔 웨이스트 단면의 광도 분포에 의해 결정되고, 원거리 발산각은 위상 분포에 의해 결정됩니다. 따라서 M² 계수는 라이트 필드의 강도 분포 및 위상 분포 특성을 반영할 수 있으며 실제 빔이 제한 회절 발산 속도에서 벗어나는 정도를 특성화합니다. M이 클수록² 요인, 발산을 표시하는 빔이 더 빠릅니다.

원거리 발산각 θ

레이저 빔이 z축을 따라 전송된다고 가정하면 원거리 발산각은 θ0이며 점근선 공식으로 다음과 같이 표현됩니다.

θ₀=lim=(w(z))/z(2.9)

공식에서 w(z)는 레이저가 z축으로 전파될 때 빔 허리 반경입니다. 원거리 발산각은 빔 전파 과정의 발산 특성을 나타냅니다. 분명히 θ₀ 빔 발산이 클수록 더 빠릅니다. 실제 측정에서는 측정된 레이저 빔을 집속 광학계 또는 빔 확장 집속 시스템을 사용하여 집속 또는 확장한 후 집속 광학계의 초점 거리에 대한 초점 평면에서 측정된 빔 폭의 비율을 사용하여 원거리를 구합니다. -필드 발산 각도. θ 때문에₀, 크기는 빔 확장 또는 초점 조정(예: 망원경을 사용하여 빔 확장)으로 변경할 수 있으므로 원거리 발산각을 빔 품질 기준으로 사용하는 것은 정확하지 않습니다.

레이저 빔 밝기 B

밝기는 레이저의 특성을 설명하는 중요한 매개변수입니다. 전통적인 광학 개념에 따르면 레이저 빔의 밝기는 단위 입체각에 수직인 광원 표면의 단위 면적에서 방출되는 에너지를 나타내며 다음과 같이 표현됩니다.

B = P/ΔSΔΩ(2.10)

공식에서 P는 광원에서 방출되는 총 전력(또는 에너지)입니다. ΔS는 단위 광원의 발광 면적입니다. ΔΩ은 방출 입체각입니다. 레이저 빔은 무손실 매체 또는 무손실 광학 시스템에서 전송되며 광원의 밝기는 변하지 않습니다.

등가 빔 품질 계수 M²_이자형

2차 모멘트에 의해 정의된 등가 스폿 크기 내에서 총 파워에 대한 빔 파워의 백분율은 라이트 필드 분포에 따라 달라지므로 빔 품질을 설명하는 방법은 다음과 같이 규정합니다. 빔 웨이스트 스폿 크기 및 원거리 - 영역에 정의된 필드 발산각, 총 출력에 대한 레이저 출력의 비율은 86.5%이고 등가 빔 품질 계수는 다음과 같습니다.

미디엄²_이자형 =πω86.5θ86.5/λ (2.11)

공식에서 ω는 빔 허리 반경입니다. θ는 원거리 발산각입니다.

빔 회절 한계 다중 계수 β

원거리 발산 각도 θ에서. β 값은 다음과 같이 정의할 수 있습니다.

β=(실제빔의 원거리 발산각)/(이상빔의 원거리 발산각)=θ₀/θ_NS (2.12)

β 값은 동일한 조건에서 측정된 레이저 빔의 빔 품질이 이상적인 빔 품질에서 벗어나는 정도를 나타냅니다. 측정된 레이저의 β 값은 일반적으로 1보다 큽니다. β 값이 1에 가까울수록 빔 품질이 좋습니다. β=1은 회절 한계입니다. β 값은 주로 레이저 공진기에서 방금 방출된 레이저 빔을 평가하는 데 사용됩니다. 근거리 빔의 품질을 합리적으로 평가할 수 있습니다. 이는 정적 성능 지수이며 대기가 레이저 산란 난류에 미치는 영향을 고려하지 않습니다. β 값의 측정은 빔 원거리 발산각의 정확한 측정을 위해 장거리 빔을 평가하는 데 적합하지 않습니다.

스트렐 비율 S_NS

스트렐 비율 S_NS 다음과 같이 정의됩니다.

NS_NS=(실제 광축의 피크 광도)/(광축의 피크 광도) / =exp-(2π/λ)2(ΔΦ)2 (2.13)

공식에서 ΔΦ는 빔 품질을 저하시키는 파면 왜곡을 나타냅니다. NS_NS 원거리 축에 최대 광도를 반영합니다. 이는 파면 왜곡에 따라 달라지며 빔 품질에 대한 빔 파면 왜곡의 영향을 더 잘 반영할 수 있습니다. 스트렐 비율은 주로 빔 품질을 개선하기 위해 적응 광학 시스템의 성능을 평가하는 데 주로 사용되는 대기 광학에서 사용됩니다. 하지만 S_NS 원거리 광축의 최대 광도만 반사하고 에너지 응용 분야에서 우려하는 광도 분포를 제공할 수 없습니다. 또한 빔 품질을 대략적으로만 반영할 수 있으며 광학 시스템 설계에 매우 유용한 지침을 제공할 수 없습니다.

주변 에너지 비율 BQ 값

목표 표면(또는 배럴 내)의 전력비라고도 하는 주변 에너지 비율은 지정된 크기 내에서 실제 지점의 주변 에너지(또는 전력)와 대상 표면의 주변 에너지(또는 전력)로 정의됩니다. 동일한 크기 내의 이상적인 스폿 및 동일한 크기 내의 이상적인 스폿을 둘러싸고 있는 에너지(또는 전력) 비율의 제곱근. 그 표현은

BQ=√(전자/전자₀) 또는 BQ=√(P/P₀) (2.14)

공식에서 E₀ (또는 피₀) 및 E(또는 P)는 각각 이상적인 빔 스폿 주변 에너지(또는 전력) 및 대상에서 지정된 크기 내에서 측정된 실제 빔 스폿 주변 에너지(또는 전력)입니다. BQ 값은 에너지 전송 및 결합을 위한 것입니다. 이 유형의 애플리케이션은 원거리 필드 빔 품질을 평가하기 위해 대상에 대한 빔의 에너지 집중을 결합합니다. BQ 값에는 대기 요인이 포함됩니다. 엔지니어링 응용 및 손상 효과의 관점에서 빔 품질을 설명하는 포괄적인 지수이며 대기의 영향을 받는 레이저 시스템의 동적 지수입니다. BQ 값은 빔 품질과 출력 밀도를 직접 연결하며 에너지 집중도를 반영합니다. 강력한 레이저와 표적의 에너지 결합 및 파괴 효과 연구에 실질적인 의의가 있습니다.

위의 매개변수 외에도 모드 순도, 공간 일관성 및 전역 일관성은 종종 레이저의 빔 품질을 설명하는 데 사용됩니다. 빔 품질을 평가하기 위한 다양한 매개변수에는 고유한 장점과 한계가 있습니다. 표 2.1은 다양한 매개변수와 적용 가능한 분야의 장단점을 요약한 것이다.

매개변수	장점	제한 사항	애플리케이션
케이NS	빔 직경과 빔의 원거리 발산 각도의 두 가지 요소만 포함	빛 강도의 공간 분포를 반영할 수 없습니다.	산업 분야에 적합합니다.
미디엄2 요인	그들은 빔의 원거리 발산각과 고차 모드 내용을 객관적으로 반영할 수 있고 빔 전송 변환 관계를 분석하고 특성화할 수 있습니다.	파장 매개변수의 도입은 서로 다른 파장의 레이저 빔의 품질을 비교하는 데 적합하지 않습니다.	선형 빔 전송 분야에 적합한 2차 모멘트 각도를 기반으로 정의된 빔 폭 및 발산
θ0	빔 발산 정도를 나타냅니다.	광도의 공간적 분포를 반영할 수 없음	빔 특성에 대한 간단한 이해
NS	빔의 일관성을 특성화합니다.	광도의 공간적 분포를 반영할 수 없음	디스플레이 및 조명
미디엄2이자형	광도의 86.5%에 따라 빔 폭을 정의합니다.	파장 매개변수의 도입은 서로 다른 파장의 레이저 빔의 품질을 비교하는 데 적합하지 않습니다.
β	θ의 하나의 매개변수만 측정하면 됩니다.	θ 변경 가능, 표준 빔 선택이 균일하지 않음	불안정한 공동 레이저 빔의 품질 평가
NSNS	축에 최대 광도를 객관적으로 반영할 수 있습니다	광도의 공간적 분포를 반영할 수 없음	대기 광학 및 광학 레이더
바베큐 밸브	빔의 원거리 필드에서 초점에 에너지 집중을 반영합니다.	배럴의 전력은 다양한 빔 에너지 분포에서 얻을 수 있습니다.	불안정한 공동 레이저 빔의 품질 평가
모드 순도	이상적인 빔 강도 분포에서 실제 빔 강도 분포의 편차 측정	보편적이지 않음
공간 일관성	빔 공간 일관성을 반영합니다.	보편적이지 않음
글로벌 수준의 일관성	빔의 공간적 일관성을 반영합니다.	보편적이지 않음

레이저 빔의 출력 형상

레이저 빔의 공간적 형태는 레이저의 공진 공동에 의해 결정됩니다. 주어진 경계 조건에서 공진 공동의 전자기장 분포는 파동 방정식을 풀어서 결정됩니다. 원형 대칭 공동에는 횡방향 전자기장의 단순한 공간 모양이 있습니다.

캐비티의 횡방향 전자기장 분포를 캐비티의 횡방향 모드라고 하며 TEM으로 표현됩니다._미네소타. TEM₀₀ 기본 모드, TEM을 나타냅니다.₀₁, TEM₀₂ 및 TEM₁₀, TEM₁₁, TEM₂₀ 저차 모드를 나타내고 TEM₀₃, TEM_04, 및 TEM₃₀, TEM₃₃, TEM₂₁등은 고차 모드를 나타냅니다. 대부분의 레이저 출력은 고차 모드입니다. 기본 모드 또는 하위 모드의 출력을 얻으려면 모드 선택 기술을 채택해야 합니다.

현재 일반적으로 사용되는 모델 선택 기술은 캐비티에서 회절 손실을 증가시키는 것을 기반으로 합니다. 한 가지 방법은 다중 굴절 캐비티를 사용하여 캐비티의 회절 손실을 증가시켜 캐비티 길이를 늘리는 것입니다. 다른 방법은 레이저 방전관의 직경을 줄이거나 캐비티 길이를 늘리는 것입니다. 작은 조리개 다이어프램이 캐비티에 추가됩니다. 기본 모드 빔의 회절 손실은 매우 크고 회절 한계에 도달할 수 있으므로 기본 모드 빔의 발산 각도는 작습니다. 레이저 펌핑 효율을 높이는 관점에서 캐비티 모드 볼륨은 전체 활성 매질을 최대한 채워야 합니다. 즉, 긴 튜브 레이저에서 TEM₀₀ 모드 출력이 지배적인 반면 고차 모드 레이저 발진에서 기본 모드는 소량의 레이저 출력만 설명합니다. 부품, 그래서 고차 모드 출력 전력이 큽니다.