Strahlqualität

Die Strahlqualität K, auch Strahlpropagationsfaktor, Strahlqualitätskennzahl oder K-Faktor genannt, ist ein Merkmal der Güte von Laserstrahlung, die ein Laser erzeugt.

Prinzipiell sagt die Strahlqualität etwas darüber aus, wie gut ein Laserstrahl fokussierbar ist und wie schnell er sich bei der Ausbreitung relativ zu seinem Durchmesser aufweitet (Divergenz, Strahlparameterprodukt).

Das Strahlparameterprodukt SPP ist das Produkt aus dem Radius w0 der Strahltaille und dem halben Fernfeldwinkel (Divergenzwinkel) φ des Strahles

\mathrm{SPP} = \varphi w_0 = M^2 \frac{\lambda}{\pi}

und wird meist in mm × mrad angegeben.

Die Strahlqualität K ergibt sich aus der Beugungsmaßzahl M2 zu

K = \frac{1}{M^2}

Bei einem idealen Laserstrahl (Grundmode, TEM 00) sind K = 1 und M2 = 1, reale Laserstrahlen haben Werte K < 1 und M2 > 1.

Ein Laserstrahl hat an jedem Ort einen Querschnitt größer null, also einen Durchmesser oder eine Breite und eine Höhe, die manchmal voneinander abweichen, bedingt durch die Art der Strahlerzeugung.

Fokussiert man diesen Strahl durch eine Linse bzw. eine Fokussieroptik (z. B. einen Hohlspiegel), so bildet sich ein Brennpunkt aus, der ebenfalls bestimmte Minimalabmessungen nicht unterschreiten kann. Es entsteht lediglich ein Bereich (Brennfleck), dessen Fläche in einer bestimmten Entfernung minimal ist. Dies resultiert nicht nur aus der endlichen Wellenlänge der Strahlung, sondern auch aus den transversalen Schwingungsmoden des Strahles, hervorgerufen durch ebensolche im Laserresonator. Reale Laserstrahlen weisen meist nicht die ideale Leistungsverteilung (Leistung nimmt zum Rand des Strahls hin nach allen Seiten gleichmäßig ab) auf, da sie nicht im sogenannten Grundmode (TEM 00, siehe Laser/Transversalmoden) schwingen. Im Strahl und auch im Fokus treten Leistungsspitzen und -täler auf, die zugleich auch Richtungsabweichungen innerhalb des Strahles sind. Sie führen zu schlechterer Fokussierbarkeit gegenüber einem Strahl mit TEM 00 - Mode.

Die Divergenz eines Laserstrahles, d. h. das Auseinanderlaufen des Strahles bei seiner Ausbreitung (Strahlpropagation), wird durch die Numerische Apertur oder durch Winkelangaben beschrieben. Die Winkel können in beiden Raumrichtungen verschieden sein, bedingt durch die Resonatorgeometrie. Das ist besonders bei Laserdioden und Diodenlasern der Fall.

Um z. B. in einer Bearbeitungsmaschine einen großen Strahlweg in Luft zurückzulegen, muss ein Laserstrahl eine geringe Divergenz aufweisen.

Sowohl die Divergenz als auch die Fokussierbarkeit kann durch eine Strahlaufweitung (siehe auch Teleskop) verbessert werden: mit einer Anordnung aus zwei Linsen oder Spiegeln wird der Strahlquerschnitt zugunsten dessen Parallelität vergrößert. Allerdings sind dann auch größere und genauere Fokussierlinsen bzw. -spiegel erforderlich.

Literatur

  • Jürgen Eichler, Lothar Dünkel, Bernd Eppich: Die Strahlqualität von Lasern – Wie bestimmt man Beugungsmaßzahl und Strahldurchmesser in der Praxis?. In: Laser Technik Journal. 1, Nr. 2, 2004, S. 63-66, doi:10.1002/latj.200790019 (PDF, abgerufen am 28. Januar 2011).

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