Strahlqualitäten

Strahlqualitäten bezeichnen die charakteristischen Eigenschaften eines Strahls, sei es Licht oder Teilchen, die seine Ausbreitung, Fokussierung und den Transport durch optische Systeme oder Beschleuniger beeinflussen. Typische Größen betreffen räumliche und divergente Verteilungen, Kohärenz, spektrale Zusammensetzung und die Besetzung des transversalen Phasenraums; zusammen bestimmen sie, wie gut sich der Strahl zu einem gewünschten Fokus formen lässt.

Im Bereich der Optik ist der M^2-Wert der gebräuchlichste Indikator der Strahlqualität. Für einen idealen diffractionsbegrenzten Gaußstrahl gilt M^2 = 1; reale Strahlen weisen M^2 > 1 auf, je nach Modenzusammensetzung. Der Zusammenhang zwischen Strahldurchmesser am Strahlzentrum, Divergenz und Wellenlänge wird durch w0 θ ≈ M^2 λ / π beschrieben. Höhere M^2 bedeuten größere Fokusspotgrößen oder eine geringere Tiefenfokussierung. Das Etendue-Gesetz begründet, warum die Strahlqualität in optischen Systemen zwar transportiert, aber nicht verbessert werden kann; es setzt eine obere Grenze für die Fokussierbarkeit.

Bei Teilchenstrahlen wird die Strahlqualität durch die transverse Emittance beschrieben, oft als ε oder normierte Emittance ε_n. Eine niedrige Emittance erlaubt schärfere Fokussierung und höhere Brillanz; eine größere Emittance führt zu breiteren Spots und schlechterer Fokusierung. Emittance kann durch Space-Charge, Streuung oder Beschleunigerarchitektur beeinflusst werden.

Messmethoden variieren nach Strahlart: Laserstrahlen lassen sich über Profilmessung oder M^2-Bestimmung bestimmen; Emittance bei Elektronenstrahlen erfolgt via Pepper-Pot-Verfahren oder Quadrupol-Scan. Strahlqualitäten sind entscheidend für Anwendungen in der Materialbearbeitung, Mikroskopie, Kommunikation sowie in Beschleunigern und Synchrotronquellen.