Eigenschaften von Laserlicht

Eigenschaften von Laserlicht
Polarisation
Licht ist linear polarisiert, wenn der elektrische Feldvektor
nur in einer Ebene schwingt. Zirkular polarisierte Strah­
lung liegt vor, wenn der elektrische Feldvektor in Aus­
breitungsrichtung eine schraubenförmige Kurve beschreibt.
Zirkular polarisiertes Licht kann als Überlagerung zweier
linear polarisierter Felder aufgefasst werden, deren elek­
trische Feldvektoren senkrecht aufeinander stehen und
die um eine viertel Wellenlänge phasenver­schoben sind.
Entsprechend kann linear polarisiertes Licht als Überla­
gerung von rechts- bzw. linkszirkular polarisierten Feldern
aufgefasst werden.
Strahlgeometrie
Ein Singlemode-Laserstrahl ist nicht durch einen schar­
fen Rand begrenzt. Er emittieren im Grundmode TEM00.
Dies bedeutet, dass die Intensi­tätsverteilung über den
Strahlquerschnitt durch eine Gaußverteilung beschrieben
werden kann:
Dabei sind Io die Strahlintensität in der optischen Achse
und r der Abstand von der optischen Achse. Der Strahlradius w bzw. der Strahldurchmesser 2w ist definiert
durch den Abfall der Intensität auf ­­ 1/e² (13,5 %) des
Maximalwertes.
Der Durchmesser eines Laserstrahls nimmt mit wachsender Entfernung vom Laser zu, d.h. er ist divergent. Der
halbe Divergenzwinkel Θ beträgt für den Grundmode
,
wobei λ die Laserwellenlänge und w0 der Strahlradius am
Ort der engsten Einschnürung (Strahltaille) ist.
Das Produkt aus Strahldurchmesser an der Taille und der
Strahldivergenz ist also für einen gegebenen Laserstrahl
konstant. Daraus ergibt sich, dass die Divergenz umgekehrt
proportional zur Strahltaille ist. D.h. je größer die Strahltaille ist, desto geringer ist die Divergenz.
I
I0
w0
2Θ
I0 /e2
2w
Strahldurchmesser
Strahldivergenz
Der Strahlradius wächst beiderseits der Strahltaille:
,
wobei w(z) der Strahlradius in der Entfernung z von der
Strahltaille ist.
Häufig liegt die Strahltaille unmittelbar am Ort des Austritt­
spiegels.
Für größere Entfernungen (ab einigen Metern) vom Laser
gilt näherungsweise:
Kollimierung von Laserstrahlen
Durch Strahlaufweitung kann ein Laserstrahl kollimiert, d.h.
seine Divergenz reduziert werden. Die Strahlaufweitung
wird zweckmäßigerweise mit einem Teleskop durchge­
führt. Wird das Teleskop so eingestellt, dass an seiner
Austrittslinse eine Strahltaille liegt, so ergibt sich folgende
Aussage:
Die Divergenz wird um den Aufweitungsfaktor des Teles-­
kops reduziert.
Lichtquellen und Laser
Fokussierung eines Laserstrahls
Tiefenschärfe
Aufgrund der geringen Divergenz lassen sich Laserstrahlen
sehr gut fokussieren. Daraus ergibt sich eine Erhöhung der
Leistungsdichte im Verhältnis der Querschnitte von fokus­
siertem und unfokussiertem Strahl.
Tiefenschärfe ist der Bereich um den Brennpunkt, in wel­
chem sich der Brennfleckdurchmesser innerhalb eines
de­finierten Bereiches bewegt. Der Tiefenschärfebereich
lässt sich mit folgender Gleichung bestimmen:
Der minimale Brennfleckradius wf ergibt sich näherungs­
weise zu:
am Ort
Hierbei ist das Verhältnis w/wf die tolerierbare Ände­rung
des Brennfleckradius. Ist w >> wf , so gilt näherungsweise:
Hierbei ist w0 der Strahlradius vor der Linse mit der
Brennweite f.
Θ
2w0
z
2wf
F'
F
f
f
z'
Fokussierung
Zusammenfassend gilt:
Die Brennfleckgröße eines fokussierten Laserstrahls ist
- proportional zur Linsenbrennweite
- proportional zur Strahldivergenz bzw. umgekehrt
proportional zum Strahldurchmesser