Was bedeutet der M²-Wert?

Der M²-Wert (gesprochen „M-Quadrat“) ist ein Maß für die Strahlqualität eines Lasers. Er sagt aus, wie nah ein realer Laserstrahl am idealen (beugungsbegrenzten) Gauß-Strahl liegt. M² = 1 wäre perfekt; reale Laser haben M² > 1. Je kleiner der M²-Wert, desto enger fokussierbar ist der Strahl und desto geringer ist seine Aufweitung (Divergenz).^[1][2]

Warum ist das wichtig? (Einfach erklärt)

• Kleinerer Fokus = dünnere Linien und schmalere Schnittfuge (Kerf).^[3]
• Weniger Divergenz = der Strahl bleibt über längere Strecken enger → größere Schärfentiefe (nützlich bei dicken Materialien).^[4]
• Höhere Leistungsdichte im Brennfleck = schneller schneiden, tiefer gravieren, sicherer ankoppeln (insbesondere bei Metallen).^[3]

Merksatz: Kleines M² bedeutet präziser, schneller, stabiler – sofern die übrigen Parameter (Leistung, Wellenlänge, Optik) passen.

Zwei Begriffe, die oft mit M² genannt werden

• Divergenz: Wie schnell der Strahl „auseinanderläuft“. Ein hoher M² erhöht die Divergenz.^[2]
• BPP (Beam Parameter Product): Produkt aus Strahlradius im Fokus und Divergenz. Je kleiner BPP, desto besser die Strahlqualität. Zusammenhang: BPP ≈ (M² · λ) / π. Hersteller geben oft BPP in mm·mrad an.^[1]

Faustregeln statt Formeln

• Spotgröße ~ M²: Verdoppelt sich M², wird der kleinstmögliche Fokus ungefähr doppelt so groß (bei gleicher Optik).
• Schärfentiefe ~ 1/M²: Je kleiner M², desto „länger“ bleibt der Spot scharf (größere Toleranz gegen Fokusfehler).
• Prozessfenster: Besseres M² verzeiht kleine Höhenunterschiede und Materialwelligkeit eher.

Beispiel mit Zahlen (leicht nachvollziehbar)

Angenommen, ein Faserlaser (λ ≈ 1064 nm) wird mit derselben Linse betrieben:

• M² = 1,1 (nahe Singlemode): Spotdurchmesser ≈ 30 µm (Beispiel).
• M² = 3,0 (multimode): Spotdurchmesser wird etwa 3,0/1,1 ≈ 2,7-mal größer → ≈ 80 µm.

Praktisch heißt das: Mit M² = 1,1 sind feine Gravuren möglich; mit M² = 3,0 ist der Fokus größer, dafür kann es z. B. beim Schweißen hilfreich sein, wenn man eine etwas größere „Energieverteilung“ wünscht.^[3]

Typische M²-Werte verschiedener Laser

Hinweis: Dioden haben zwei M²-Werte (schnelle/langsame Achse). Deshalb sind Kollimatoren/Beam-Shaper wichtig.^[5]

Wie wird M² gemessen?

Die Messung erfolgt nach ISO 11146. Man misst den Strahldurchmesser an vielen Positionen entlang der Ausbreitungsrichtung („Strahlkegel“/Caustic) und berechnet daraus M², Divergenz und Fokuslage. Praktisch nutzt man dafür z. B. Kameraprofiler und Scan-Verfahren. Für Anwender reicht meist: M² und/oder BPP aus dem Datenblatt vergleichen.^[2]

Einfluss auf die Praxis (Schneiden, Gravieren, Schweißen)

• Schneiden (z. B. Holz/Acryl mit CO₂, Metall mit Faser): Kleines M² → schmale Fuge, hohe Geschwindigkeit, saubere Kanten; bei dickem Material hilft zusätzlich eine passende Air-Assist/Gasführung.
• Gravieren/Markieren: Kleiner Spot = höhere Auflösung, feine Details, klare Kanten. Für „Black Marking“ auf Edelstahl ist meist gute Strahlqualität + angepasste Pulsdauer nötig.
• Schweißen/Härten: Manchmal ist nicht der kleinste Spot gewünscht; ein etwas größeres M² bzw. gezielte Defokussierung kann eine breitere Naht/homogenere Erwärmung liefern.

Wie beeinflusse ich die Strahlqualität?

• Laserquelle wählen: Singlemode-Faserlaser für bestmögliches M²; Multimode liefert mehr Leistung, aber größeren Spot.
• Optik & Justage: Saubere Optiken und korrekte Ausrichtung sind entscheidend – verschmutzte Linsen verschlechtern die Qualität.
• Beam-Expander/Kollimator: Ein größerer Eingangsstrahl kann den fokussierten Spot verkleinern (bei gegebener Optik), M² selbst bleibt aber Eigenschaft der Quelle.^[4]
• MOPA-Faserlaser: Erlaubt Feinabstimmung von Pulsform/Frequenz; M² kommt primär von der Quelle/Faser, MOPA ändert eher die zeitliche Leistung.

Häufige Irrtümer

• „Mehr Watt löst alles“: Ohne gutes M² kann auch ein starker Laser unsaubere Kanten liefern.
• „Ein Beam-Expander verbessert M²“: Er verändert Geometrie (Spot/Divergenz), aber nicht die Strahlqualität der Quelle.
• „Alle Dioden sind gleich“: Dioden haben unterschiedliche M² in zwei Achsen; ohne Korrektur bleibt der Spot elliptisch/streifenförmig.

Sicherheit

Bessere Strahlqualität bedeutet oft geringere Divergenz und damit auch über größere Entfernungen noch hohe Intensität. Das erhöht das Risiko für Augen – besonders bei unsichtbarem IR (z. B. 1064 nm). Deshalb: passende Laserschutzbrille, geschlossene Einhausung und Beachtung der Laserklasse.^[6]

Kurz zusammengefasst

Der M²-Wert ist der Qualitäts-Index eines Laserstrahls. Kleines M² heißt kleinerer Fokus, weniger Aufweitung und höhere Leistungsdichte – ideal für feine Gravuren und saubere Schnitte. Für industrielle Anwendungen bestimmt M² zusammen mit Wellenlänge, Leistung und Optik, wie gut ein Laserprozess funktioniert.

Quellen

1. Edmund Optics – Laserstrahlparameter (M², BPP, Divergenz)
2. Thorlabs – Beam Quality, M² und ISO 11146
3. TRUMPF – Lasergrundlagen & Strahlparameter in der Praxis
4. RP Photonics – Beam Quality & Beam Parameter Product
5. RP Photonics – Laser-Dioden (Asymmetrie Fast/Slow-Axis)
6. BG ETEM – Lasersicherheit (Gefährdung & Schutz)