GB T 27662-2011 激光光束指向和位置稳定性测试方法.pdf
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1、ICS 3 1. 260 L 51 道B中华人民=lI二./、不日国国家标准GB/T 27662-2011 /ISO 11670: 2003 激光光束指向和位置稳定性测试方法Test methods for pointing and positional stability of laser beam (lSO 11670: 2003 , Lasers and laser-related equipment-Test methods for laser beam parameters-Beam positional stability, IDT) 2011-12-30发布数码防伪中华人民共和国
2、国家质量监督检验检茂总局中国国家标准化管理委员会2012-05-01实施发布GB/T 27662-2011 /ISO 11670: 2003 目U1=1 本标准按照GB/T1. 1-2009给出的规则起草。本标准使用翻译法等同采用了ISO11670: 2003:激光和激光相关设备激光束参数测试方法光束位置稳定性,纳入了ISO11670:2003/Cor.1:2004(E)的修正内容,这些修正内容涉及的条款已通过在其外侧页边空白位置的垂直双线(11 )进行了标示。为了便于使用本标准,进行了编辑性修改,将ISO11670: 2003的6.1分成了a)、b)、c)、d)列项。请注意本文件的某些内容可
3、能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准由中国机械工业联合会提出。本标准由全国光辐射安全和激光设备标准化技术委员会(SAC/TC284)归口。本标准起草单位:北京理工大学、北京奥依特科技有限责任公司、北京工业大学。本标准主要起草人:高春清、高明伟、王立波、孙殿中、陈虹。I G/T 27662-2011 /ISO 11670: 2003 激光光束指向和位置稳定性测试方法1 范围本标准规定了激光光束指向和位置稳定性的测试方法。本标准适用于连续和脉冲激光器的光束指向稳定性和位置稳定性的测试。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版
4、本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。JB/T 6860 测量激光辐射功率能量的探测器、仪器与设备OB/T6860-1993 , IEC 1040: 1990 , IDT) ISO 11145 :2006光学和光子学激光和激光设备词汇和符号COptics and photonics-Lasers and laser-related equipment-Vocabulary and symbols) ISO 11146: 1999 1) 激光和激光设备激光束参数的试验方法柬宽、发散角和束扩散因子CLasers and laser-related eq
5、uipment-Test methods for laser beam parameters-Beam widths, diver gence angle and beam propagation factor) 3 术语和定义3. 1 3.2 3.3 下列术语和定义适用于本文件。角向移动angular movement xy 激光光束在x-z和Y-Z平面内的角向移动量。注:这些量在光轴坐标系X,y,Z中定义。如果X方向与Y方向的角向移动之比不大于1.15 : 1,则认为光束的角向移动是旋转对称的,这种情况下只用一个值表征角向移动,符号记作。光束指向稳定性beam angular stabil
6、ity Sx ,(J,y 光束角向移动的2倍标准方差。注:这些量在光轴坐标系X,y,Z中定义。如果X方向与Y方向的指向稳定性之比不大于1.15:1,则认为光束的指向稳定性是旋转对称的,这种情况下只用一个值表征光束指向稳定性,符号记作品。原点pivot 所有瞬时光轴与Z轴的交汇点。注:在很多情况下,原点不一定存在,故原点的测量不是本标准的内容。1) IS0 11146:1999的最新版本为:IS011146-1亿005、IS011146-2-2005、IS011146-3-2004。1 G/T 27662-2011月SO11670 :2003 3.4 3.5 3.6 3. 7 3.8 3.9 横
7、向位移transverse displacement az ,a y 激光束沿x-方向和y-方向的横向移动的距离。注1:这些量在光轴坐标系X,Y,Z中定义。如果X方向与Y方向的指向稳定性之比不大于1.15:1,则认为光束的横向位移是旋转对称的,这种情况下只用一个值表征横向位移,符号记作ao注2:横向位移的测量不是本标准的内容之一。光束位置移动beam positional movement 在z平面上激光束质心位置的移动。注:在Z平面上的位置移动由激光束的横向位移和/或角向移动叠加形成。光束位置稳定性beam positional stability Llz (z) ,Lly (z) 在z平面
8、上光束位置移动的2倍标准方差。注:这些量在光轴坐标系X,Y,Z中定义。如果X方向与Y方向的光束位置稳定性之比不大于1.15:1,则认为光束的位置稳定性是旋转对称的,只用一个值表征,这种情况下符号记作.1(z)。光束相对指向稳定性relative beam angular stability S,el.z (z) ,IJ,el.y (z) ,el (z) 光束的指向稳定性与远场发散角的比值。注:对于椭圆光束而言,通常情况下光束位置稳定性的主轴与激光束传输的光轴不重合,需使用有效远场发散角e,H =,j (e +e) /2。光束相对位置稳定性relative beam positional sta
9、bility Ll,el.z (z) ,Lld.y (z) ,Ll时(z)在z平面上的光束位置稳定性与z平面上的光束直径的比值。注:对于椭圆光束而言,由于通常情况下光束位置稳定性的主轴与激光束传输的光轴不豆合,故需使用有效光束直径d,rr=,j(d +d) /2。光束稳定性参数积beam stability parameter prodnct SZ ,Sy ,S 沿着光束传输方向光束位置稳定性最小值和光束指向稳定性的乘积。注:与光束直径的情况类似,光束稳定性的传输正如3.6中注的定义,也遵循双曲线传输定律。可用三个参数来表征光束稳定性的传输特性:最小光束位置稳定性的位置Zo,光束位置稳定性的最
10、小值.10和光束指向稳定性。一般来说,激光光束的位置稳定性最小值所在的位置Z。与激光束的束腰位置不一致。3. 10 3. 11 2 光束启动时的位置改变在激光器开启或关闭瞬间的光束位置与激光器工作较长时间大于预热时间)的光束位置的偏差。短期稳定性short-term stability 光束在1s时间间隔内的稳定性。GB/T 27662-2011月SO11670:2003 3. 12 中期稳定性medium-term stability 光束在1min时间间隔内的稳定性。3. 13 长期稳定性long-term stability 光束在1h时间间隔内的稳定性。4 坐标系和光轴4. 1 光轴分
11、布光轴(根据ISO11145: 2006的定义)分布由多次(n1000)测量光轴方向获得。光轴分布的标准方差可描述光轴的移动。该标准方差沿不同方向上可以是不同的,即光轴分布不一定是圆对称的,其在某一个主方向的幅度可以大于其他任何方向。4.2 坐标系的选取4.2. 1 概述本标准中采用的坐标系均为右手坐标系。va A X f rll 3 A -X Z=Z=o Z a) A视图b) 光轴坐标系X,Y,Z与实验室坐标系X,y,Z示意图说明:1一-激光光轴的平均方向;2一二对应某一次测量的光轴;3一一光轴分布统计值的2倍方差。图1光轴坐标系X,Y,Z与实验室坐标系X,y,Z坐标系示意图及其A视图4.2
12、.2 实验室坐标系(X,y,Z坐标系)实验室坐标系中的三个正交方向由X,y,Z定义。z轴起点位置由激光器生产商给定的参考面X-y面定义(例如激光器前端面),以使激光束沿着z轴的方向近轴传输(偏差小于100)。4.2.3 光轴坐标系(X,Y,Z)光轴坐标系是第二个正交坐标系,坐标系X,y,Z见图1a),其规定如下:一-Z是激光器处于稳态时由光束的一阶强度矩给出的平均光轴方向;3 GB/T 27662-2011/180 11670:2003 X定义为远场时光轴的非对称分布的最大幅度方向。注1:不要将光轴分布的非对称性与激光功率分布的非对称性相混淆。注2:光轴坐标系和实验室坐标系起点位置相同。4.2
13、.4 方位角方位角是指光轴坐标系的X相对于实验室坐标系的x的转角。4.2.5 坐标系的变换实验室坐标系和光轴坐标系之间的变换包括平移和旋转变换,将应用以下方程,其变换关系见图1,其中下标M表示测量面的坐标。a) 第一步(X和yL的计算)XM= .z=x:/n ( 1 ) 34=EJy:/n . ( 2 ) 式中:i一一测试次数,i=ln; b) 第二步(平移)M Z Z 一一Z Y =Y - YM . ( 3 ) ( 4 ) c) 第三步(绕Z旋转)e)=(:工:)(;l. ( 5 ) 式中:1p = arctan 2SXY 2 1 (sx 2 - Sy 2) 12 .( 6 ) 旷二.z=(
14、x:- X:,) 2/ (n - 1) . . . . . ( 7 ) SFZZEJ(y:-yL)2/(nl)-HH-HH.( 8 ) SY y 2 = .z= (x:- XM) (y:- yM) / (n - 1) .( 9 ) 式中:i 测试次数,i=ln。5 测试原理5.1 光束位置稳定性测试原理光束位置稳定性可由位置敏感探测器直接测量或在成像元件的像平面位置测量。光束的质心位置由在X,y,Z测量的光强分布的一阶矩计算,表示实验室坐标系(X,y ,Z)中光轴的瞬时位置。光轴位置稳定性由一段时间内(短期、中期、长期)质心位置变化的标准方差计算。5.2 光束指向稳定性测试原理光束指向稳定性需
15、在聚焦元件的焦平面上由位置敏感探测器进行测量。激光束在远场的质心位置由在X,y,Z测量的光强分布的一阶矩计算,表示在实验室坐标系(X,y ,Z)中光轴的瞬时方向。光束指向稳定性由一段时间内光束角向移动的标准方差计算。4 GB/T 27662-2011 /ISO 11670: 2003 6 测试过程、测试仪器和其他辅助元件6. 1 测试准备测试工作开始前,应确认以下情况:a) 测试前需准备合适的光学调整器件,使激光束与测量系统共轴;b) 光学系统的视场应包括整个光束截面。光束截断和衍射引起的损耗占最后测量误差的比重不应大于1%。在放置分束器、衰减器和透镜等光学元件时,应保证光轴通过它们的几何中心
16、。应采取措施避免由反射、环境噪声、热辐射和空气扰动等引起的系统误差;c) 在测量开始前,激光器应按生产商的规定预热以达到热平衡状态,测试器材也应达到热平衡;d) 在初始准备工作完成后,应检查是否全部光束入射到了探测器表面。可在每个光学元件的前面插入不同孔径的光阑,当光阑使激光功率减小了5%时,所用光阑的孔径不应大于其后光学元件口径的0.8倍。6.2 测试环境要求放置被测激光器和测量系统的测试台的稳定性应高于被测激光器的稳定性。需采取隔震、减噪和控温等措施,保证外界因素或系统误差对测量结果的误差影响不超过10%。这些措施包括对测试设备的机械和声响隔振、对实验室和激光器冷却系统(由厂家规定)控温,
17、对外界光电噪声的屏蔽和使用低噪声的电气装置等。6.3 探测器系统在测试光束的指向和位置稳定性时,测量光强分布的一阶矩应符合ISO11146 :1999的规定。只有当被测光束在每次测试中的光强分布不发生变化时才可使用如光电二极管、四象限探测器等简单探测器。探测器系统的空间分辨率和信噪比决定测试精度。JBjT 6860的第3章和第4章尤其重要,探测器系统应与其要求一致。应考虑只有相对测量是必需的,并且应强调以下几点:一一应根据生产厂商的数据或标定结果确认探测器系统的输出参量(如电压等)与输出参量(如激光功率)之间为线性关系z应通过标定尽量减小或校正探测器的非线性、非均匀性和波长依赖性;一一应采取措
18、施确保激光人射到探测器时,不超过探测器表面的损伤闰值(辐照度、曝光量、功率和能量)。6.4 光束变换系统、光学衰减器、分束器、聚焦元件如果被测激光光束口径大于探测器口径,应采用适当的光学变换系统对光束进行变换,使其适应探测器的口径。应根据被测激光的波长选择合适的光学元件。当入射激光的功率超过探测器的工作阔值时,应使用光学衰减器。光学衰减器应尽量避免由波长、偏振、非线性、非均匀性等引起的误差。在使用光学衰减器前需对其进行标定,以减小可能引起的误差。在用于高功率激光时,应避免由高功率导致的激光束的畸变。聚焦系统除了满足以上对于光学系统的要求外,还应满足以下要求:一一应是元像差的系统,即由光学系统的
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