Fizyczna charakterystyka lasera

Szacowany czas czytania: 19 minuty

Laser jest rodzajem promieniowania optycznego, które wykorzystuje zasadę stymulowanego promieniowania atomów lub cząsteczek do wzbudzenia działającej substancji. Wszystkie fotony w tej samej wiązce laserowej mają tę samą częstotliwość, tę samą fazę oraz ten sam kierunek polaryzacji i propagacji. Dlatego laser jest koherentnym promieniowaniem świetlnym o dobrej monochromatyczności, silnej kierunkowości i niezwykle wysokiej jasności. Technologia obróbki laserowej to systematyczna inżynieria łącząca światło, mechanikę i elektryczność. Przecina również wiele dyscyplin, takich jak fizyka, materiały, maszyny i automatyka. Jest to jeden z pogranicznych obszarów rozwoju naukowego i technologicznego. W ostatnich latach technologia i sprzęt laserowy szybko się rozwinęły i cieszą się coraz większym zainteresowaniem krajów na całym świecie.

Cechy lasera

Jako światło spójne, laser ma wiele cech.

Dobra monochromatyczność

Istotą światła jest rodzaj promieniowania fal elektromagnetycznych. W przypadku promieniowania fal elektromagnetycznych im dłuższa długość koherencji, tym węższa szerokość linii spektralnej i im czystszy kolor, czyli lepsza monochromatyczność światła. Na przykładzie lasera HeNe długość koherencji lasera wynosi około 4×10⁴m. Przed pojawieniem się laserów najlepszym monochromatycznym źródłem światła była lampa kryptonowa, która wytwarzała spójną długość promieniowania świetlnego około 0,78m. Wzbudzenie widzialne to najprostsze źródło światła na świecie.

Wysoka jasność

Wysoka jasność to kolejna wyjątkowa cecha lasera. Generalnie, natężenie promieniowania świetlnego emitowanego przez jednostkę powierzchni emitującej światło ΔS, jednostkową szerokość promieniowania świetlnego Δν oraz kąt rozbieżności θ definiuje się jako jasność monochromatyczną B_λ źródła światła.

b_λ =P/ΔSΔνθ² (2.1)

We wzorze P to moc lasera.

Chociaż całkowita moc emitowana przez słońce jest wysoka, szerokość promieniowania świetlnego Δν jest bardzo duża, kąt rozbieżności θ jest duży, a jasność monochromatyczna jest wciąż bardzo mała.

Chociaż Δν i θ są małe, laser ma wysoką jasność monochromatyczną. Podaje się, że laserowa jasność monochromatyczna B_λ wytwarzany przez lasery o dużej mocy jest nawet 100 bilionów razy wyższy niż słońce.

Silna kierunkowość

Z mechanizmu generowania lasera widać, że w warunkach jednorodnego ośrodka propagacji kąt rozbieżności θ lasera jest ograniczony jedynie przez sprzężenie;

θ=1,22λ/D (2,2)

We wzorze λ to długość fali, a D to średnica plamki źródła światła.
Odległość między ziemią a powierzchnią księżyca wynosi około 3,8×10⁵km. Wiązka lasera dociera do księżyca o najlepszym skupieniu, a jej średnica plamki wynosi zaledwie kilkadziesiąt metrów.

Dobra spójność

Najdłuższy przedział czasu, w którym światło wytwarza koherencję, nazywa się czasem koherencji τ. W czasie koherencji najdalszą odległość, jaką pokonuje światło, nazywana jest długością koherencji Lc.

L_C =cτ=λ²/Δλ (2.3)

We wzorze c to prędkość światła.
Ponieważ szerokość pasma lasera Δλ jest bardzo mała, długość koherencji Lc jest bardzo duża. W rzeczywistości, jeśli monochromatyczność jest dobra, koherencja jest dobra, a długość koherencji jest również dłuższa.

Wysoce skoncentrowana energia

Niektóre lasery wojskowe, lotnicze, medyczne i przemysłowe mogą wytwarzać wysoką energię lasera. Na przykład moc wyjściowa lasery dla fuzji jądrowej może wynosić nawet 10¹⁸W. Może przezwyciężyć siłę odpychającą między jądrami i zrealizować reakcję fuzji jądrowej. Wraz z rozwojem technologii ultrakrótkich impulsów laserowych, ludzie mogą używać technologii wzmacniania impulsów w celu uzyskania laserów. Z mocą szczytową do 10¹⁵W z szafirowych urządzeń laserowych domieszkowanych Ti, używanych do generowania niezwykle krótkich impulsów laserowych.

Podstawowa zasada generowania lasera

Interakcja światła i materii

Podstawowe założenia teorii atomowej

Założenie stanu stacjonarnego atomu Cała materia składa się z atomów. Układ atomowy znajduje się w serii nieciągłych stanów energetycznych. Wokół jądra orbita elektronów jest nieciągła, a atom jest w stanie stabilnym ze stałą energią. Nazywa się to stanem stacjonarnym atomu, a stan odpowiadający najniższej energii atomu stanem podstawowym.

Jeśli elektron na zewnętrznej orbicie atomu otrzymuje pewną ilość energii z zewnątrz. Elektron przeskoczy do zewnętrznego ruchu orbitalnego. Energia atomu wzrasta iw tym czasie atom nazywamy atomem w stanie wzbudzonym.

Warunki częstotliwościowe Atom przechodzi z jednego stanu stacjonarnego E₁ do innego stanu stacjonarnego E2. Częstotliwość ν jest określona przez następujący wzór.

hν= E₂ – E₁ (2.4)

Rodzaj światła monochromatycznego odpowiada fotonowi wytworzonemu przez to samo przejście atomu. hν jest energią fotonu.

Oddziaływanie między polem promieniowania a materią, zwłaszcza oddziaływanie współrezonansowe, położyło fizyczne podstawy pod nadejście i rozwój laserów. Gdy częstotliwość padającej fali elektromagnetycznej jest zgodna z częstotliwością rezonansową ośrodka, nastąpi absorpcja rezonansu (lub wzmocnienie). Generowanie i oddziaływanie światła i materii będzie wymagało współdziałania pola i medium.

Stymulowana absorpcja

Zakładając, że dwa poziomy energetyczne atomu to E₁ i E₂i E₁< E₂ jeśli napromieniowany jest foton o energii spełniającej wzór (2.4), atom może pochłonąć energię tego fotonu i przejść z niskiego poziomu E₁ stan do wysokiego poziomu E₂ stan. Ten rodzaj atomowej absorpcji fotonów i przejścia od niskiego poziomu energetycznego do wysokiego poziomu energetycznego nazywamy stymulowanym procesem absorpcji atomu (rysunek 2.2).

Promieniowanie spontaniczne

Stan atomu na wysokim poziomie energetycznym po wzbudzeniu jest niestabilny. Generalnie może pozostać tylko rzędu 10^-8s. Spontanicznie powróci do stanu niskiego energetycznego bez wpływu zewnętrznego, a jednocześnie wypromieniuje energię do świata zewnętrznego. Dla fotonu z hν = E₂-MI₁, proces ten nazywa się spontanicznym procesem emisji atomu. Promieniowanie spontaniczne jest losowe, kierunek emisji i początkowa faza każdego fotonu promieniowania są różne, a promieniowanie każdego atomu jest od siebie niezależne, więc światło promieniowania spontanicznego jest niespójne Rys. 2.1.

Stymulowana emisja i wzmocnienie optyczne

Atom na poziomie energetycznym stanu wzbudzonego, jeśli zostanie wzbudzony przez foton o energii zewnętrznej hν i spełniającym wzór (2.4) przed wyemitowaniem emisji spontanicznej, może przejść ze stanu wysokoenergetycznego do stanu niskoenergetycznego, a przy w tym samym czasie emitują fotony o tej samej częstotliwości, tej samej fazie, w tym samym kierunku, a nawet w tym samym stanie polaryzacji z fotonami zewnętrznymi. Proces ten nazywa się wymuszoną emisją atomów [Rysunek 2.2]

Jeśli padający foton wyzwala stymulowaną emisję i dodaje jeden foton, te dwa fotony nadal wyzwalają stymulowaną emisję i dodają jeszcze dwa fotony, a następnie cztery fotony mnożą się w osiem fotonów… i tak dalej, pod działaniem jednego padającego fotonu, układ atomowy może otrzymać dużą liczbę fotonów o dokładnie takim samym stanie i charakterystyce. Zjawisko to nazywa się wzmocnieniem optycznym. W związku z tym proces emisji wymuszonej powoduje, że układ atomowy wypromieniowuje dużą liczbę fotonów z tą samą częstotliwością, tą samą fazą, tym samym kierunkiem propagacji i takim samym stanem polaryzacji jak światło padające, czyli identycznymi fotonami. Wzmocnienie światła wywołane promieniowaniem stymulowanym jest ważną podstawową koncepcją w mechanizmie generowania lasera.

Odwrócenie populacji

Z definicji emisji spontanicznej i emisji wymuszonej wynika, że dominuje emisja spontaniczna mechanizmu emitowania światła zwykłych źródeł światła, ale emisja laserów to głównie wymuszona emisja atomów. Aby stymulowane promieniowanie zdominowało układ atomowy i sprawiło, że nadal emitował lasery. Powinniśmy spróbować zmienić rozkład układu atomowego, gdy znajduje się on w równowadze termicznej, tak aby liczba atomów na wysokich poziomach energii nadal przekraczała liczbę atomów na niskich poziomach energii, czyli liczba cząstek została osiągnięta.

Aby osiągnąć inwersję populacji, energia musi być wprowadzana do systemu z zewnątrz. Aby jak najwięcej cząstek w układzie pochłaniało energię. Następnie przejście z niskiego poziomu energetycznego na wysoki poziom energetyczny. Proces ten nazywa się procesem wzbudzania lub pompowania. Metody wzbudzania ogólnie obejmują wzbudzenie światłem, wzbudzenie wyładowaniami gazowymi, wzbudzenie chemiczne, a nawet wzbudzenie energią jądrową. Na przykład lasery rubinowe wykorzystują wzbudzenie optyczne, lasery helowo-neonowe wykorzystują wzbudzenie elektryczne, a lasery barwnikowe wykorzystują wzbudzenie chemiczne.

Produkcja laserowa Warunki

W substancji roboczej, która osiągnęła inwersję populacji (np. wzbudzenie światłem lub wzbudzenie elektryczne), stymulowane promieniowanie może być zdominowane, ale foton, który jako pierwszy wyzwala stymulowane promieniowanie, jest generowany przez promieniowanie spontaniczne, a promieniowanie spontaniczne jest przypadkowe. W związku z tym wzmocnienie światła uzyskane przez stymulowane promieniowanie jest również losowe i ogólnie nieuporządkowane. Wymaga dodania szeregu urządzeń.

Wnęka optyczna

Na dwóch końcach materiału roboczego zainstalowane są dwa równoległe do siebie lustra. Pomiędzy dwoma lustrami powstaje optyczna wnęka rezonansowa. Jedno z nich to lustro z całkowitym odbiciem, a drugie to lustro z odbiciem częściowym.

Wśród fotonów emitowanych we wszystkich kierunkach, z wyjątkiem fotonów rozchodzących się wzdłuż kierunku osiowego. Wszystkie one szybko opuszczają optyczną wnękę rezonansową, a tylko światło wzdłuż kierunku osiowego jest stale wzmacniane, tworząc drgania we wnęce tam iz powrotem. Dlatego w tubie laserowej światło z regulacją skokową jest stale wzmacniane, tworząc światło o większej amplitudzie. W ten sposób światło odbija się tam i z powrotem między lustrami, które są równoległe do siebie na obu końcach tuby. Następnie w pełni wzmocnione światło przechodzi przez częściowe lustro, aby wyemitować monochromatyczne światło o tej samej fazie.

Warunek progowy oscylacji światła

Z energetycznego punktu widzenia, chociaż oscylacja światła zwiększa intensywność światła, pochłanianie, ugięcie i rzutowanie światła na dwie powierzchnie czołowe i ośrodek jednocześnie osłabia intensywność światła. Tylko wtedy, gdy wzmocnienie jest większe niż strata, laser może być wyprowadzany. Wymaga, aby substancja robocza i wnęka rezonansowa spełniały warunek „wzmocnienia większego niż strata”. Nazywa się to również warunkiem progowym.

Warunki częstotliwości

Rola optycznej wnęki rezonansowej nie tylko zwiększa efektywną długość L propagacji światła. Ale tworzy również lekką falę stojącą między dwoma lustrami. W rzeczywistości jedyne światło, które spełnia warunki fali stojącej, może zostać wzmocnione przez promieniowanie stymulowane.

Od L=kλ_n/2(k=1,2,3…), λ_n=c/nν, mamy

ν=kc/2nL lub Δν=c/2nL (2,5)

We wzorze n jest liczbą całkowitą, a c jest prędkością światła.
Częstotliwość ν generowaną przez promieniowanie wymuszone w lampie laserowej można otrzymać z równania (2.4)

ν=( E₂ – E₁ )/h (2.6)

We wzorze h jest stałą Plancka.

Aby częstotliwość była zgodna ze wzorem (2.5) i formułą (2.6). Należy wyregulować długość wnęki rezonansowej. Podsumowując, podstawowe warunki formowania lasera są następujące.

• Substancja robocza może osiągnąć odwrócenie populacji pod wpływem wzbudzenia źródła wzbudzenia.
• Optyczna wnęka rezonansowa może stale wzmacniać stymulowane promieniowanie. Oznacza to spełnienie warunku progowego, że zysk jest większy niż strata.
• Spełnij warunki częstotliwości wzoru (2.5) i wzoru (2.6)

Charakterystyczne parametry jakości wiązki laserowej

Lasery są szeroko stosowane w wielu dziedzinach, więc wymagania dotyczące jakości wiązki laserowej są coraz wyższe. Parametry wiązki (takie jak rozkład natężenia światła, szerokość wiązki, kąt rozbieżności itp.) są ważnymi czynnikami determinującymi efekt zastosowania lasera. Jak wykorzystać prostą, dokładną i praktyczną metodę pomiaru i oceny jakości wiązki laserowej emitowanej przez lasery, stała się kluczowym zagadnieniem w badaniach technologii laserowej. Badacze wykorzystali charakterystyczne parametry ogniskowania wiązki laserowej K_F, granica dyfrakcji wielokrotność M² współczynnik, kąt rozbieżności pola dalekiego θ₀, dyfrakcja wiązki ogranicza wielokrotny współczynnik β i współczynnik Strehla S_r do oceny jakości wiązki laserowej, ale te metody są odpowiednie dla różnych Ocena jakości lasera w aplikacji nie stworzyła jednolitego standardu oceny jakości wiązki laserowej.

Parametr charakterystyczny skupienia wiązki K_F

Parametr charakterystyczny ogniskowania wiązki Kf, znany również jako iloczyn parametrów wiązki (BPP, iloczyn parametrów wiązki), jest zdefiniowany jako 1/4 iloczynu średnicy talii wiązki d₀ oraz kąt rozbieżności wiązki dalekiego pola θ₀

K_F=d₀θ₀/4 (2.7)

Równanie (2.7) opisuje zasadę, że iloczyn średnicy talii wiązki i kąta rozbieżności pola dalekiego jest stały, a K_F jest stałą w całym systemie konwersji transmisji wiązki, która jest odpowiednia do oceny jakości wiązki laserowej w branży przemysłowej

Granica dyfrakcji wielokrotność M² czynniki

W 1988 AE Siegman zdefiniował iloczyn szerokości wiązki wyrażony przez drugi moment w oparciu o próg przestrzenny rzeczywistej wiązki i próg częstotliwości przestrzennej jako jakość wiązki M² czynnik, który jest równoważny nieskończonej ilości informacji opisujących złożoną amplitudę fali świetlnej, poprzez formę prostokątną drugiego rzędu w celu wyodrębnienia czynnika kombinacji, bardziej rozsądny opis jakości wiązki laserowej, został przyjęty przez Międzynarodową Organizację ds. Standaryzacja 1SO/TC172/SC9/WG1 projekt normy w 1991 roku² czynnik jest zdefiniowany jako

M2 =(rzeczywista średnica przewyższenia wiązki x rzeczywisty kąt emisji pola wiązki)/(idealna średnica przewężenia wiązki x idealny kąt emisji pola wiązki)= (πd0θ0)/(4λ) (2.8)

We wzorze d₀ to średnica talii wiązki laserowej: θ₀ Czy kąt rozbieżności pola dalekiego; λ to długość fali.

Im² Współczynnik jest powszechnie używanym parametrem do oceny jakości wiązek laserowych i jest również nazywany współczynnikiem jakości wiązki. Należy jednak zaznaczyć, że definicja M² współczynnik jest oparty na definicji macierzy drugiego rzędu szerokości wiązki w progu przestrzennym i progu częstotliwości przestrzennej. Szerokość talii wiązki laserowej jest określona przez rozkład natężenia światła na przekroju talii wiązki, a kąt rozbieżności pola dalekiego jest określony przez rozkład fazowy. Dlatego M² współczynnik może odzwierciedlać charakterystykę rozkładu natężenia i rozkładu fazowego pola świetlnego i charakteryzuje stopień, w jakim rzeczywista wiązka odchyla się od granicznej prędkości rozbieżności dyfrakcyjnej. Im większe M² czynnik, tym szybciej wiązka oznacza rozbieżność.

Kąt rozbieżności pola dalekiego θ

Zakładając, że wiązka lasera jest transmitowana wzdłuż osi z, kąt rozbieżności pola dalekiego wynosi θ0, Wyrażony wzorem na asymptotę jako

θ₀=lim=(w(z))/z (2,9)

We wzorze w(z) to promień przewężenia wiązki, gdy laser propaguje się do osi z. Kąt rozbieżności pola dalekiego charakteryzuje oczywiście rozbieżność charakterystyczną dla procesu propagacji wiązki, oczywiście θ₀ Im większa rozbieżność wiązki, tym szybciej. W rzeczywistym pomiarze, po zogniskowaniu lub rozszerzeniu mierzonej wiązki laserowej za pomocą ogniskującego układu optycznego lub układu ogniskującego z rozszerzaniem wiązki, stosunek szerokości wiązki mierzonej na płaszczyźnie ogniskowej do ogniskowej ogniskującego układu optycznego jest wykorzystywany do uzyskania dalekiego -kąt rozbieżności pola. Z powodu θ₀, rozmiar można zmienić przez rozszerzenie wiązki lub skupienie (na przykład za pomocą teleskopu w celu rozszerzenia wiązki), więc nie jest dokładne stosowanie kąta rozbieżności pola dalekiego jako kryterium jakości wiązki.

Jasność wiązki laserowej B

Jasność jest ważnym parametrem opisującym charakterystykę laserów. Zgodnie z tradycyjnymi koncepcjami optycznymi jasność wiązki laserowej odnosi się do energii emitowanej przez jednostkę powierzchni powierzchni źródła światła prostopadłą do jednostki kąta bryłowego, wyrażoną jako

B =P/ΔSΔΩ (2.10)

We wzorze P jest całkowitą mocą (lub energią) emitowaną przez źródło światła; ΔS to obszar emitujący światło jednostki źródła światła; ΔΩ to stały kąt emisji. Wiązka laserowa jest transmitowana w bezstratnym medium lub w bezstratnym układzie optycznym, a jasność źródła światła pozostaje niezmieniona.

Równoważny współczynnik jakości wiązki M²_mi

Ponieważ w ramach równoważnej wielkości plamki określonej przez moment drugiego rzędu, procent mocy wiązki do mocy całkowitej zależy od rozkładu pola świetlnego, sposób opisu jakości wiązki określa: wielkość plamki w talii wiązki oraz odległość -kąt rozbieżności pola określony w obszarze, stosunek mocy lasera do mocy całkowitej wynosi 86,5%, a równoważny współczynnik jakości wiązki wynosi

m²_mi =πω86,5θ86,5/λ (2,11)

We wzorze ω jest promieniem talii belki; θ jest kątem rozbieżności pola dalekiego.

Limit dyfrakcji wiązki wielokrotny współczynnik β

Z kąta rozbieżności pola dalekiego θ. Wartość β można zdefiniować jako

β=(kąt rozbieżności dalekiego pola rzeczywistej wiązki)/(kąt rozbieżności dalekiego pola idealnej wiązki)=θ₀/θ_NS (2.12)

Wartość β charakteryzuje stopień, w jakim jakość mierzonej wiązki laserowej odbiega od idealnej jakości wiązki w tych samych warunkach. Wartość β mierzonego lasera jest na ogół większa niż 1. Im bliższa wartości β jest 1, tym lepsza jakość wiązki. β=1 to granica dyfrakcji. Wartość β służy głównie do oceny wiązki laserowej emitowanej właśnie z rezonatora laserowego. Potrafi rozsądnie ocenić jakość wiązki bliskiego pola. Jest to wskaźnik wydajności statycznej i nie uwzględnia wpływu atmosfery na turbulencje rozpraszania lasera. Pomiar wartości β zależy od Dla dokładnego pomiaru kąta rozbieżności wiązki dalekiego pola, nie nadaje się do oceny wiązek dalekosiężnych.

Współczynnik Strehla S_r

Współczynnik Strehla S_r jest zdefiniowany jako

S_r=(szczytowe natężenie światła na rzeczywistej osi optycznej)/(szczytowe natężenie światła na osi optycznej) / =exp-(2π/λ)2(ΔΦ)2 (2.13)

We wzorze ΔΦ odnosi się do zniekształcenia czoła fali, które powoduje pogorszenie jakości wiązki. S_r odzwierciedla szczytową intensywność światła na osi dalekiego pola. Zależy od zniekształcenia czoła fali i może lepiej odzwierciedlać wpływ zniekształcenia czoła fali na jakość wiązki. Współczynnik Strehla jest często używany w optyce atmosferycznej, głównie do oceny wydajności systemów optyki adaptacyjnej w celu poprawy jakości wiązki. Ale S_r odzwierciedla tylko szczytowe natężenie światła na osi optycznej dalekiego pola i nie może podać rozkładu natężenia światła, o który chodzi w zastosowaniach energetycznych. Ponadto może jedynie w przybliżeniu odzwierciedlać jakość wiązki i nie może stanowić bardzo przydatnych wskazówek przy projektowaniu systemów optycznych.

Współczynnik energii otoczenia Wartość BQ

Stosunek energii otoczenia, znany również jako stosunek mocy na powierzchni docelowej (lub w lufie), jest definiowany jako energia otoczenia (lub moc) rzeczywistego miejsca w określonym rozmiarze i otaczająca energia (lub moc) idealne miejsce w tym samym rozmiarze i idealne w tym samym rozmiarze Pierwiastek kwadratowy ze stosunku energii (lub mocy) otaczającej miejsce. Jego wyrazem jest

BQ=√(E/E₀) lub BQ=√(P/P₀) (2.14)

We wzorze E₀ (Lub P₀) i E (lub P) to odpowiednio idealna energia (lub moc) otaczającej plamki wiązki oraz zmierzona rzeczywista energia (lub moc) otaczającej plamki wiązki w określonym rozmiarze na celu. Wartość BQ dotyczy transmisji i sprzężenia energii Ten typ aplikacji łączy koncentrację energii wiązki na celu w celu oceny jakości wiązki dalekiego pola. Wartość BQ uwzględnia czynniki atmosferyczne. Jest to kompleksowy indeks opisujący jakość wiązki z perspektywy zastosowań inżynierskich i skutków uszkodzeń oraz dynamiczny indeks systemu laserowego, na który oddziałuje atmosfera. Wartość BQ bezpośrednio łączy jakość wiązki i gęstość mocy i jest odzwierciedleniem koncentracji energii. Ma to praktyczne znaczenie dla badania sprzężenia energetycznego i destrukcyjnych skutków działania silnego lasera i celu.

Oprócz powyższych parametrów, do opisu jakości wiązki laserów często stosuje się czystość modów, spójność przestrzenną i spójność globalną. Różne parametry oceny jakości wiązki mają swoje zalety i ograniczenia. Tabela 2.1 podsumowuje zalety i wady różnych parametrów i odpowiednich pól.

Parametry	Zalety	Ograniczenia	Aplikacje
KF	Obejmuje tylko dwa czynniki: średnicę wiązki i kąt rozbieżności wiązki w polu dalekim	Nie może odzwierciedlać przestrzennego rozkładu natężenia światła	Nadaje się do zastosowań przemysłowych
m2 czynnik	Mogą obiektywnie odzwierciedlać kąt rozbieżności pola dalekiego i zawartość modów wyższego rzędu w wiązce oraz mogą analizować i charakteryzować zależność transformacji transmisji wiązki	Wprowadzenie parametrów długości fali nie nadaje się do porównania jakości wiązek laserowych o różnych długościach fal	Szerokość i rozbieżność wiązki określone na podstawie kąta momentu drugiego rzędu, odpowiednie dla pola liniowej transmisji wiązki
θ0	Charakteryzuje stopień rozbieżności wiązki	Nie może odzwierciedlać przestrzennego rozkładu natężenia światła	Proste zrozumienie charakterystyki wiązki
b	Charakteryzuje spójność wiązki	Nie może odzwierciedlać przestrzennego rozkładu natężenia światła	Wyświetlacz i oświetlenie
m2mi	Określa szerokość wiązki zgodnie z 86.5% natężenia światła	Wprowadzenie parametrów długości fali nie nadaje się do porównania jakości wiązek laserowych o różnych długościach fal
β	Tylko jeden parametr θ musi być zmierzony	θ można zmienić, standardowy wybór wiązki nie jest jednolity	Ocena jakości niestabilnej wiązki laserowej wnęki
Sr	Może obiektywnie odzwierciedlać szczytowe natężenie światła na osi	Nie może odzwierciedlać przestrzennego rozkładu natężenia światła	Optyka atmosferyczna i radar optyczny
Zawór BQ	Odzwierciedla koncentrację energii w ognisku w dalekim polu wiązki	Moc w beczce można uzyskać z różnych rozkładów energii wiązki	Oceniana jest jakość niestabilnej wiązki laserowej wnęki
Tryb czystości	Miara odchylenia rzeczywistego rozkładu natężenia wiązki od idealnego rozkładu natężenia wiązki	Nie uniwersalny
Spójność przestrzenna	Odzwierciedla spójność przestrzenną wiązki	Nie uniwersalny
Globalny stopień spójności	Odzwierciedla przestrzenną spójność wiązki	Nie uniwersalny

Wyjściowy kształt wiązki laserowej

Przestrzenny kształt wiązki laserowej określa wnęka rezonansowa lasera. W zadanych warunkach brzegowych rozkład pola elektromagnetycznego we wnęce rezonansowej jest wyznaczany przez rozwiązanie równania falowego. We wnęce kołowo-symetrycznej występuje prosty przestrzenny kształt poprzecznego pola elektromagnetycznego.

Poprzeczny rozkład pola elektromagnetycznego we wnęce nazywany jest modem poprzecznym we wnęce, który jest wyrażony przez TEM_mni. TEM₀₀ reprezentuje tryb podstawowy, TEM₀₁, TEM₀₂ i TEM₁₀, TEM₁₁, TEM₂₀ reprezentują tryby niskiego rzędu, a TEM₀₃, TEM_04, i TEM₃₀, TEM₃₃, TEM₂₁itd. reprezentują tryby wyższego rzędu. Wyjście większości laserów to tryb wysokiego rzędu. Aby uzyskać wyjście trybu podstawowego lub trybu niskiego rzędu, konieczne jest przyjęcie technologii wyboru trybu.

Obecnie powszechnie stosowane techniki doboru modeli opierają się na zwiększeniu utraty dyfrakcji we wnęce. Jedną z metod jest zwiększenie długości wnęki poprzez zastosowanie wnęki wielorefrakcyjnej w celu zwiększenia strat dyfrakcyjnych we wnęce. Drugą metodą jest zmniejszenie średnicy rury wyładowczej lasera lub zwiększenie długości wnęki. Do wnęki dodaje się małą przesłonę aperturową. Strata dyfrakcyjna wiązki modów podstawowych jest bardzo duża i może osiągnąć granicę dyfrakcji, więc kąt rozbieżności wiązki modów podstawowych jest mały. Z punktu widzenia zwiększenia wydajności pompowania lasera, objętość modalna wnęki powinna jak najbardziej wypełniać cały ośrodek czynny, czyli w przypadku lasera długiej tuby TEM₀₀ dominuje wyjście trybu, podczas gdy w trybie oscylacji lasera w trybie wyższego rzędu tryb podstawowy odpowiada tylko za niewielką ilość mocy lasera. Część, więc moc wyjściowa w trybie high-order jest duża.