Beugungsmaßzahl

Die Beugungsmaßzahl^[1] ist eine Größe, die einen Laserstrahl charakterisiert.

Definition

Abweichen des Strahlverlauf eines realen Laserstrahles von einem theoretischen Gaußstrahl

Die Beugungsmaßzahl M² gibt den Divergenzwinkel eines Laserstrahls im Vergleich zur Divergenz eines idealen Gaußstrahls mit gleichem Durchmesser an der Strahltaille an. M² ist eine dimensionslose Zahl und ist bei realen Laserstrahlen immer größer als eins. Je größer M² ist, umso schlechter ist der Strahl zu fokussieren, das heißt, umso größer ist der kleinste mögliche Fokusdurchmesser. Ein Gaußstrahl hat die Beugungsmaßzahl M² = 1, ein typischer Wert für die Beugungsmaßzahl eines Singlemode-Lasers beträgt M² = 1,1.

Die Beugungsmaßzahl wird oft salopp als „Strahlqualität“ bezeichnet. Dies trifft physikalisch allerdings nicht wirklich zu. Eigentlich ist die Entropie der Strahlung ein Maß für die Qualität eines Strahlungsfeldes. Anstatt der Beugungsmaßzahl werden allerdings auch manchmal zwei andere Größen verwendet:

• das Strahlparameterprodukt SPP
• die Strahlqualität K, auch Strahlpropagationsfaktor oder K-Faktor genannt

$M^2 = \frac{1}{K} = \frac{\pi\cdot SPP}{\lambda}$

Typische Werte und Praxisbezug

Typische M²-Werte bei Hochleistungslasern sind 1,0–1,2 für Singlemode-Faserlaser, ca. 1,1–1,5 für Kohlendioxidlaser und ein weiter Bereich von ca. 1,5–20 für die Festkörperlaser. Diodenlaser haben noch weit größere M²-Werte. Beim Vergleich der Fokussierbarkeit dieser Laser ist allerdings noch die unterschiedliche Wellenlänge zu berücksichtigen.

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.

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).

Fußnoten

1. ↑ DIN EN ISO 11146 - Teil 1 (April 2005): Laser und Laseranlagen – Prüfverfahren für Laserstrahlabmessungen, Divergenzwinkel und Beugungsmaßzahlen – Teil 1: Stigmatische und einfach astigmatische Strahlen (ISO 11146-1:2005); Deutsche Fassung EN ISO 11146-1:2005. S. 9–10.