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Gaussian Beam

1960
Laserschneidmaschine mit Gaußstrahl in einem Optiklabor.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

A Gaussian beam is a beam of electromagnetic radiation whose transverse electric field and intensity distributions are described by Gaussian functions. It is the most common output profile of lasers operating in the fundamental transverse mode (TEM00). This profile allows the beam to remain tightly focused over a long distance and represents the ideal case for high beam quality.

Der Gaußsche Strahl ist eine Lösung der paraxialen Helmholtz-Gleichung, welche eine Näherung der Maxwell-Gleichungen für Strahlen darstellt, die nicht schnell divergieren. Die Intensität [latex]I(r, z)[/latex] eines Gaußschen Strahls als Funktion des radialen Abstands [latex]r[/latex] vom Strahlzentrum und des axialen Abstands [latex]z[/latex] von seinem schmalsten Punkt (der „Strahltaille“) ist gegeben durch [latex]I(r, z) = I_0 left(frac{w_0}{w(z)}right)^2 expleft(frac{-2r^2}{w(z)^2}right)[/latex]. Hierbei ist [latex]I_0[/latex] die Spitzenintensität im Strahltaillenbereich, [latex]w_0[/latex] der Strahltaillenradius (bei dem die Intensität auf [latex]1/e^2[/latex] ihres axialen Wertes abfällt) und [latex]w(z)[/latex] der Strahlradius im Abstand [latex]z[/latex].

Zu den wichtigsten Parametern eines Gaußschen Strahls gehören der Strahlradius ([latex]w_0[/latex]), die Rayleigh-Länge ([latex]z_R[/latex]), die die Distanz angibt, über die der Strahl relativ kollimiert bleibt, und der Divergenzwinkel ([latex]theta[/latex]), der beschreibt, wie schnell sich der Strahl im Fernfeld ausbreitet. Diese Parameter sind alle miteinander verknüpft. Ein kleinerer Strahlradius führt aufgrund der Beugung zu einem größeren Divergenzwinkel. Die Qualität eines realen Laserstrahls wird häufig durch den M²-Faktor ([latex]M^2[/latex]) beschrieben. Dieser vergleicht das Produkt seiner Strahlparameter (Strahlradius mal Fernfelddivergenz) mit dem eines idealen Gaußschen Strahls, für den [latex]M^2=1[/latex] gilt. Das Gaußsche Profil ist wünschenswert, da es für eine gegebene Wellenlänge auf den kleinstmöglichen Spotdurchmesser fokussiert werden kann, wodurch die Intensität maximiert wird.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Optik

Typ

Abstraktes System

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus
  • Huygens–Fresnel principle of diffraction
  • development of laser resonators that naturally support a fundamental mode

Anwendungen

  • laser cutting and welding
  • faseroptische Kopplung
  • laser pointers
  • barcode scanners
  • optische Pinzette ('optische Pinzette')
  • Laserkommunikationssysteme

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

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Verwandte Themen: Gaußscher Strahl, Laserstrahlprofil, EM00, Strahltaillenweite, Rayleigh-Länge, Strahldivergenz, M², paraxiale Näherung, Beugung, Strahlqualität.

Historischer Kontext

Gaussian Beam

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1960-05-16
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1963
1964

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

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