Wie berechnet man Rayleigh-Range und Waist eines Gauß-Laserstrahls
Berechnen Sie die Rayleigh-Range z_R = πw₀²/(λM²), den Strahl-Waist w(z), die Divergenz θ und die Gouy-Phase eines Gauß-Laserstrahls HeNe, Nd:YAG, CO₂, Telekom 1550 nm. Für Mikroskopie, Laser-Schneiden, LIGO-Virgo, Lichtleitfasern — Basis von Trumpf, MPI Quantenoptik, MBI Berlin.
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Wie berechnet man Rayleigh-Range und Waist eines Gauß-Laserstrahls erlaubt die Bestimmung der Ausbreitungsgeometrie eines fundamentalen TEM₀₀ Laserstrahls im paraxialen Bereich. Die Formeln wurden 1966 von Hermann Kogelnik und Tingye Li an den Bell Labs hergeleitet und von Anthony Siegman in "Lasers" (1986, Stanford) kodifiziert. Die Rayleigh-Range ist z_R = π·w₀²/λ (oder mit M²: z_R = π·w₀²/(λ·M²)). Der Waist-Radius entwickelt sich als w(z) = w₀·√(1 + (z/z_R)²), und die Divergenz im Fernfeld ist θ = λ/(π·w₀). Es ist die Grundformel für Laser-Fokussierung im industriellen Schneiden (Trumpf Ditzingen, Lumibird Deutschland, Coherent Göttingen), Konfokalmikroskopie (Carl Zeiss LSM, Leica), optische Pinzetten (Nobelpreis 2018), optische Raumkommunikation (DLR, Tesat-Spacecom), und das Design der 3-4 km Arme von Advanced Virgo Cascina (mit deutscher Beteiligung von MPI Garching) und LIGO Hanford-Livingston.
1. Fundamentale Gauß-Strahl-Formeln
Ein TEM₀₀ Gauß-Strahl, der sich entlang z ausbreitet, hat Intensität I(r,z) = I₀·(w₀/w(z))²·exp(-2r²/w²(z)). Schlüsselparameter: w₀ (Waist-Radius bei 1/e² Intensität), z_R (Rayleigh-Range), w(z) = w₀·√(1 + (z/z_R)²), R(z) = z·(1 + (z_R/z)²), ζ(z) = arctan(z/z_R) (Gouy-Phase). Für reale Strahlen mit M²>1 skalieren die Formeln mit M². Das BPP (Beam Parameter Product) = w₀·θ = M²·λ/π ist propagationsinvariant.
2. Parameter für typische Laser
- HeNe 632,8 nm, w₀ = 0,5 mm → z_R = 1,12 m, θ = 0,40 mrad. Interferometrie, Justage.
- Nd:YAG 1064 nm, w₀ = 100 µm → z_R = 22,7 mm. Industrielles Metallschneiden Trumpf Ditzingen.
- CO₂ 10,6 µm, w₀ = 50 µm → z_R = 0,62 mm.
- ArF Excimer 193 nm, w₀ = 1 mm → z_R = 32 cm. ASML DUV-Lithographie mit Carl-Zeiss-SMT-Optik.
- Telekom 1550 nm in Quarzfaser-Singlemode, w₀ ≈ 5,2 µm — Basis Deutsche Telekom, 1&1.
- Ti:Saphir 800 nm CPA fs, w₀ = 50 µm → z_R = 9,8 mm. Ultrakurzpuls-Laser am MPI Quantenoptik Garching, MBI Berlin.
- VIRGO 1064 nm, w₀ ≈ 9 mm auf 3-km-Spiegeln, z_R ≈ 245 m.
3. Grenzen und Gültigkeitsregime
Die klassischen Formeln sind im paraxialen Regime (θ < 30°), bei linearer Polarisation und Single-Mode TEM₀₀ gültig. Für Hoch-NA-Fokussierung (NA > 0,5) wird der Richards-Wolf-Formalismus (1959) mit Vektor- und evaneszenten Effekten benötigt — fundamental für STED-Mikroskopie (Hell, Moerner, Betzig, Nobelpreis 2014). Für multimodale Strahlen (M²>1), w(z) und θ skalieren mit √M². Für nicht-gaußsche Strahlen (Super-Gauß, Bessel-Gauß, OAM-Vortex) sind spezielle Behandlungen nötig. Für nichtlineare Ausbreitung (Self-Focusing, Kerr-Linse) kollabiert oder moduliert der Strahl, relevant für PW-Laser am MPQ Garching, MBI Berlin und ELI-Beamlines.
4. Numerische Beispiele
Beispiel 1 — HeNe 632,8 nm fokussiert auf w₀ = 100 µm. z_R = 49,6 mm, θ = 2,01 mrad. Bei z=1 m, w(1m) = 2,02 mm.
Beispiel 2 — Trumpf Nd:YAG 4 kW für Edelstahl-Schneiden, w₀ = 50 µm mit M²=1,3. z_R = 5,68 mm, Spitzenintensität 1 GW/cm² — ausreichend für Fusion-Cutting von 10-15 mm Edelstahl.
Beispiel 3 — Advanced Virgo Cascina 1064 nm auf 3 km Arm. w₀ ≈ 9 mm, z_R ≈ 245 m, w(3 km) ≈ 113 mm auf 35 cm Spiegel — fundamental für Gravitationswellen-Detektion mit deutscher Beteiligung am MPI Quantenoptik Garching und Albert-Einstein-Institut Hannover.
5. Praktische Anwendungen
- Industrielle Laser: Trumpf Ditzingen, Lumibird Deutschland, Coherent (Göttingen, ehemals ROFIN-SINAR), Jenoptik Jena entwerfen Schneid-, Schweiß- und Markierungsköpfe
- Fortgeschrittene Mikroskopie: konfokal (Carl Zeiss LSM Jena, Leica DMi8 Wetzlar), STED, Two-Photon, Light-Sheet am MPI Heidelberg, MPI Göttingen, DKFZ Heidelberg
- Optische Pinzetten: MPI für Polymerforschung Mainz, MPI Stuttgart manipulieren Zellen und Nanopartikel
- Optische Telekommunikation: Deutsche Telekom, 1&1, Vodafone Deutschland mit Singlemode-Fasern
- LIGO-Virgo: MPI Quantenoptik Garching, Albert-Einstein-Institut Hannover, Universität Hamburg beteiligen sich
- Optische Weltraumkommunikation: DLR, Tesat-Spacecom Backnang
6. Sonderfälle und fortgeschrittene Regime
Für Laserkavitäten bestimmen die Kogelnik-Li-Formeln den stabilen TEM₀₀-Modus. Für Fabry-Perot-Kavitäten von Advanced Virgo erreicht die Finesse F ≈ 470 mit Spiegeln des LMA Lyon. Für STED-Mikroskopie (Hell-Moerner-Betzig, Nobelpreis 2014) erreicht der Depletion-Vortex-Strahl Sub-Beugungsauflösung ~30 nm. OAM-Vortex-Strahlen (Allen 1992) tragen orbitalen Drehimpuls, eingesetzt in der Quantenkommunikation am MPI für die Physik des Lichts Erlangen. Adaptive Optik an VLT-ESO Paranal korrigiert die Strahlphase, um das beugungsbegrenzte Gauß-Profil wiederherzustellen.
Aktualisiert im Juli 2026
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