Strahlparameterprodukt
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Das Strahlparameterprodukt ist eine physikalische Kenngröße, mit der sich die Fokussierbarkeit eines Laserstrahls beschreiben lässt.
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[Bearbeiten] Definition
Der mathematische Zusammenhang lautet:
Dabei ist φ der Öffnungswinkel im Fernfeld, w0 der Radius des Laserstrahls im Fokus, M2 die Beugungsmaßzahl und λ die Wellenlänge. Das Produkt φw0 wird als Strahlparameterprodukt (abgekürzt SPP) bezeichnet. Die Formel für das SPP lässt sich aus der allgemeinen Wellengleichung unter der paraxialen Näherung ableiten.
[Bearbeiten] Konsequenz
Das SPP eines Laserstrahls ändert sich beim Durchgang durch eine Linse nicht. Daraus folgt aus obiger Formel:
- Ein Laserstrahl ist niemals parallel, sondern hat im Fernfeld immer einen Öffnungswinkel größer als Null.
- Der Fokuspunkt eines Laserstrahls ist immer größer Null. Mit realistischen Werten ergibt sich für einen idealen Strahl als kleinster Fokusdurchmesser etwa die Wellenlänge.
- Um einen kleinen Fokuspunkt zu erreichen, brauche ich einen großen Strahldurchmesser vor der Fokussierlinse und eine kurze Brennweite.
[Bearbeiten] Beugungsmaßzahl M2
Die Beugungsmaßzahl M2 beschreibt das Abweichen eines realen Laserstrahls vom idealen Gaußstrahl. M2 ist eine dimensionslose Zahl und ist immer größer als eins. Je größer M2 ist, umso schlechter ist der Strahl zu fokussieren, das heißt umso größer ist der kleinste mögliche Fokusdurchmesser. Insbesondere in der Lasermaterialbearbeitung beim Laserschneiden, Laserschweißen oder Lasermarkieren hat die Beugungsmaßzahl einen großen Einfluss auf das Arbeitsergebnis. Ein hoher M2-Wert führt beim Laserschweißen zu einer breiteren und weniger tiefen Schweißnaht und beim Lasermarkieren zu einem unschärferen Bild. Typische M2-Werte bei Hochleistungslasern sind ca. 1,1-1,5 für Kohlendioxidlaser und ca. 8-20 für Festkörperlaser. Beim Vergleich der Fokussierbarkeit dieser beiden Laser ist allerdings noch die völlig unterschiedliche Wellenlänge zu berücksichtigen.
Leider wird die Beugungsmaßzahl sehr oft salopp als "Strahlqualität" bezeichnet. Dies trifft physikalisch allerdings nicht wirklich zu. Die Entropie der Strahlung ist ein besseres Maß für Qualität eines Strahlungsfeldes.
[Bearbeiten] Siehe auch
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