Lasermoden

Das Strahlungsfeld eines Lasers besitzt keine über den Querschnitt homogene Intensitätsverteilung. Die Intensität ist transversal zur Ausbreitungsrichtung moduliert und fällt nach außen hin nicht abrupt, sondern stetig ab. Dies wird durch Beugung verursacht, die bei der Lichtausbreitung immer auftritt und auf die Wellennatur des Lichtes zurückzuführen ist.

Das Strahlungsfeld eines Lasers besitzt keine über den Querschnitt homogene Intensitätsverteilung. Die Intensität ist transversal zur Ausbreitungsrichtung moduliert und fällt nach außen hin nicht abrupt, sondern stetig ab. Dies wird durch Beugung verursacht, die bei der Lichtausbreitung immer auftritt und auf die Wellennatur des Lichtes zurückzuführen ist.

Wenn man von einer homogenen Intensitätsverteilung auf einem der Laserspiegel ausgeht, wird bei der Ausbreitung von einem Laserspiegel zum anderen Spiegel bedingt durch Beugung die Intensitätsverteilung verändert. Nach vielen Umläufen stellt sich dann eine Intensitätsverteilung ein, die sich von Umlauf zu Umlauf reproduziert. Diese ausgezeichneten Intensitätsverteilungen sind die Eigenlösungen des Optischen Resonators. Es gibt im Prinzip sehr viele solcher Eigenlösungen. Einer dieser Eigenlösungen kommt aber eine besondere Bedeutung zu. Es handelt sich dabei um den sogenannten Grundmode des Optischen Resonators. In vielen Fällen kann der Grundmode in guter Näherung durch den Gaußschen Strahl beschrieben werden. Beim Gaußschen Strahl hat die radiale Intensitätsverteilung ein Gauß-förmiges Profil.

Ein wesentlicher Parameter bei der Auslegung von Optischen Resonatoren ist die Fresnelzahl, definiert als der Radius der Resonatorspiegel zum Quadrat dividiert durch das Produkt aus Wellenlänge der Laserstrahlung und dem Abstand der Laserspiegel. Grundmodestrahlung erhält man für Fresnelzahlen von etwa 1. Bei kleineren Fresnelzahlen steigen die Beugungsverluste an (siehe unten), bei größeren Fresnelzahlen schwingen weitere Moden des Strahlungsfeldes an, was zu einer Verringerung der Strahlqualität führt. Je größer die Strahlqualität ist, desto kleiner ist der minimal in der Brennebene einer Linse erreichbare Strahlquerschnitt, der für viele Anwendungen ein entscheidender Faktor ist. Bei Grundmodebetrieb ist der minimale Fokusradius lediglich durch die Beugung begrenzt, kleiner kann er aus prinzipiell physikalischen Gründen nicht werden.

In diesem Applet kann der Einfluß der Beugung auf die transversale Strahlverteilung simuliert werden. Zur Vereinfachung wird ein Streifenresonator zugrunde gelegt, dabei läßt sich das Beugungsproblem eindimensional behandeln. 
Der Bereich in der Mitte entspricht dem Spiegel, die Strahlungsintensität in den Bereichen links und rechts des Spiegels wird nicht wieder reflektiert und ist verloren. Dies sind die sogenannten Beugunsgverluste.
Die rote Linie ist die Intensität des n-1'sten Durchlaufs, die schwarze Linie die des n'ten Durchlaufs aufgetragen über der zur Ausbreitungsrichtung transversalen Ortskoordinate.