একটি অপটিক্যাল অ্যামপ্লিফায়ার বা গেইন মিডিয়াম একা কখনো লেজার হতে পারে না; আলোর তীব্রতাকে একটি নির্দিষ্ট দিকে সুসংগত করতে প্রয়োজন একটি রেজোন্যান্ট ফিডব্যাক ক্যাভিটি। আয়নার ভেতর আলোকে বারবার প্রতিফলিত করে লেজার রেজোনেটর স্থানিক ও কালিক মোড নির্বাচন করে। তাছাড়া ক্যাভিটির অপটিক্যাল কোয়ালিটি ফ্যাক্টরকে কৌশলে মডুলেট করে কিউ-সুইচিং (Q-Switching)-এর মাধ্যমে সাধারণ লেজারকে কয়েক ন্যানোসেকেন্ডে গিগাওয়াট ক্ষমতার দানবীয় স্পন্দনে রূপান্তর করা যায়।
১. রেজোনেটর মোড ও ফ্রি স্পেকট্রাল রেঞ্জ (FSR)
(L) দৈর্ঘ্যের একটি সমান্তরাল ফ্যাব্রি-পেরো ক্যাভিটিতে স্থির তরঙ্গ গঠনের জন্য ক্যাভিটির দৈর্ঘ্য অর্ধ-তরঙ্গদৈর্ঘ্যের পূর্ণ গুণিতক হতে হয়:
[
2 n L = q lambda_q implies
u_q = q rac{c}{2 n L}
]
পাশাপাশি দুটি লংগিটিউডিনাল মোডের মধ্যকার কম্পাঙ্কের পার্থক্যকে বলা হয় ফ্রি স্পেকট্রাল রেঞ্জ (Free Spectral Range, FSR):
[
Delta
u_{ ext{FSR}} = rac{c}{2 n L}
]
৩০ সেমি দীর্ঘ একটি ক্যাভিটিতে FSR প্রায় ৫০০ মেগাহার্টজ। লেজার মাধ্যমের গেইন ব্যান্ডউইথ যদি একাধিক গিগাহার্টজ চওড়া হয়, তবে ক্যাভিটিতে একসাথে শত শত ভিন্ন ভিন্ন রঙের সূক্ষ্ম মোড পাশাপাশি তৈরি হয়।
২. ট্রান্সভার্স মোড ও TEM_00 গাউসিয়ান বিম
আলোর বিস্তার ও আয়নার বক্রতার কারণে অনুপ্রস্থ তলে গঠিত হয় হারমাইট-গাউসিয়ান মোড ( ext{TEM}_{mn})। এর মধ্যে সর্বনিম্ন ও সবচেয়ে বিশুদ্ধ মোড হলো ( ext{TEM}_{00}) গাউসিয়ান মোড:
[
I(r, z) = I_0 left( rac{w_0}{w(z)}
ight)^2 xpleft( -rac{2r^2}{w(z)^2}
ight)
]
যেখানে (w_0) হলো বিম ওয়েস্ট এবং (z_R = pi w_0^2 / lambda) হলো রেইলি রেঞ্জ। এই মোডের অপটিক্যাল অপচয় সর্বনিম্ন এবং এটি ডিফ্র্যাকশন লিমিট স্পর্শ করে নিখুঁত সমান্তরাল রশ্মি আকারে মহাশূন্যে হাজার কিলোমিটার পথ পাড়ি দিতে পারে।
৩. কিউ-সুইচিং গতিবিদ্যা: দানবীয় লেজার পালস
ক্যাভিটির গুণমান ফ্যাক্টর (Q) হলো সঞ্চিত শক্তি ও প্রতি চক্রে অপচয়ের অনুপাত। কিউ-সুইচিং পদ্ধতিতে পাম্পিংয়ের সময় কৃত্রিমভাবে ক্যাভিটির মান নষ্ট করে (Low Q) রাখা হয়।
ক. শক্তি সঞ্চয় পর্যায়
যেহেতু অপচয় অনেক বেশি, তাই লেজার চালু হতে পারে না। পাম্পিংয়ের ফলে মেটাস্টেবল স্তরে পরমাণুর সংখ্যা অস্বাভাবিকভাবে বাড়তে থাকে ((N_i gg N_{ ext{th}})), যা বিপুল পরিমাণ শক্তি জমা করে রাখে।
খ. দ্রুত সুইচিং পর্যায়
কয়েক ন্যানোসেকেন্ডের মধ্যে একটি ইলেক্ট্রো-অপটিক পকেলস সেল (Pockels Cell)-এ ভোল্টেজ প্রয়োগ করে পোলারাইজেশন ৯০° ঘুরিয়ে ক্যাভিটিকে উচ্চ-গুণমানে (High Q) রূপান্তর করা হয়।
গ. দানবীয় পালস নিঃসরণ
ক্যাভিটি চালু হতেই সঞ্চিত সমস্ত পরমাণু একসাথে উদ্দীপিত নিঃসরণ ঘটায়। ওয়াগনার-ফ্রস্ট সমীকরণ অনুসারে কয়েক ন্যানোসেকেন্ডে শত শত মেগাওয়াট ক্ষমতার একটি একক দানবীয় পালস ((P_{ ext{peak}} approx E_{ ext{stored}} / au_{ ext{pulse}})) বাইরে বেরিয়ে আসে, যা চোখের সার্জারি, লেজার কাটিং ও ক্ষেপণাস্ত্র প্রতিরক্ষা প্রযুক্তির মূল চাবিকাঠি।
৪. ক্যাভিটি স্থিতিশীলতা ও জি-প্যারামিটার
রেজোনেটরের দুটি বাঁকানো আয়নার মধ্যে আলো চিরকাল প্রতিফলিত হতে পারবে কিনা তা নির্ধারিত হয় জি-প্যারামিটার দ্বারা:
[
g_1 = 1 – rac{L}{R_1}, qquad g_2 = 1 – rac{L}{R_2}
]
প্যারাক্সিয়াল ম্যাট্রিক্স অপটিক্স অনুসারে ক্যাভিটি স্থিতিশীল থাকার অপরিহার্য শর্ত হলো:
[
0 le g_1 g_2 le 1
]
কনফোকাল ক্যাভিটি ((g_1 = g_2 = ০)) এই সীমার ভেতরে অত্যন্ত সুদৃঢ়ভাবে স্থিতিশীল থাকে।
