Welche Faktoren beeinflussen die Strahlqualität?
In der Laserphysik bezieht sich die Strahlqualität darauf, wie gut ein Laserstrahl fokussiert bleibt. Je höher die Qualität, desto geringer ist die Divergenz im Strahl. Die Strahlqualität kann durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst werden, wie z. B. die Art und Qualität der Laserkomponenten, die Art des verwendeten Laserverstärkungsmediums, das verwendete optische Pumpverfahren, das Leistungsniveau sowie die mechanischen und thermischen Beanspruchungen des Lasers.
Es gibt einen Kompromiss zwischen Strahlqualität und Strahlleistung. Wenn Energie in das Verstärkungsmedium des Lasers gepumpt wird, mit dem der Laser Licht verstärkt, wird ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt. Übermäßige Hitze kann zu Temperaturgradienten im Medium führen, die einen thermischen Linseneffekt hervorrufen und die Strahlqualität verringern. Dies macht die Art des verwendeten Verstärkungsmediums wichtig.
Gaslaser sind aufgrund der geringeren Dichte ihrer Medien weniger anfällig für thermische Linsen, und Kohlendioxidlaser können eine hohe Strahlqualität bei sehr hohen Leistungen aufrechterhalten. Unter den Festkörperlasern werden die höchsten Strahlqualitäten von Einmodenfaserlasern und Dünnscheibenlasern erzeugt. Faserlaser verwenden mit Seltenerdionen wie Ytterbium oder Neodym dotiertes Siliziumdioxidglas als Verstärkungsmedium, und Dünnscheibenlaser verwenden mit dreiwertigen Ytterbiumionen dotierte Yttriumaluminiumgranatkristalle. Diese Laser können auch bei Leistungen von mehreren Kilowatt eine sehr hohe Strahlqualität aufrechterhalten. Bei niedrigeren Leistungen können Helium-Neon-Gaslaser und oberflächenemittierende Halbleiterlaser eine extrem hohe Strahlqualität erzeugen.
Andere Komponenten des Laserdesigns sind ebenfalls wichtig für die Strahlqualität, wie z. B. die Größe und Konfiguration des optischen Resonators des Lasers. Konstruktionen, die Licht auf dem Weg des Laserstrahls in das Verstärkungsmedium einkoppeln (End-Pumping), erzeugen eine höhere Strahlqualität als seitlich gepumpte Laser. Modenreiniger können verwendet werden, um die Strahlqualität zu verbessern, indem der Strahl durch eine Einmodenfaser geleitet wird oder indem ein nicht kollimierter Strahl mit einer Linse durch eine Lochblende in eine zweite Linse fokussiert wird, die den Strahl rekollimiert.
Die Strahlqualität wird auch vom Zustand der Laserkomponenten beeinflusst. Festkörperlaser können eine verminderte Qualität aufweisen, wenn die Oberfläche ihres Mediums fehlerhaft ist, was zu Wellenfrontverzerrungen und Streuung führen kann. Die Qualität wird auch durch falsch ausgerichtete Komponenten beeinträchtigt, die durch mechanische Beanspruchungen, Temperaturänderungen in der Laserumgebung oder Wärmeausdehnung durch die eigene Wärme des Lasers verursacht werden können. Auch Objektivfehler können die Qualität beeinträchtigen.