DIN 58175-1-2013 Lasers and laser-related equipment - Determination of the properties of ultra-short laser pulses - Part 1 Principles Text in German and English《激光和激光相关设备 超短激光脉冲的性能.pdf

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1、Juli 2013DEUTSCHE NORM Normenausschuss Feinmechanik und Optik (NAFuO) im DINPreisgruppe 13DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 31.260!$kg“1947268www.din.deDDIN 5

2、8175-1Laser und Laseranlagen Bestimmung der Eigenschaften von ultrakurzen Laserpulsen Teil 1: Grundlagen;Text Deutsch und EnglischLasers and laser-related equipment Determination of the properties of ultra-short laser pulses Part 1: Principles;Text in German and EnglishLaser et quipement laser assoc

3、i Dtermination des proprits des pulsations laser ultra-courtes Partie 1: Principes;Texte en allemand et anglaisAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 27 SeitenDIN 58175-1:2013-07 2 Inhalt Seite Vorwort . 4 Einleitung 6 1 Anwendungsbereich 8 2 Normativ

4、e Verweisungen . 8 3 Formelzeichen und Einheiten 8 4 Grundlagen 14 4.1 Allgemeines . 14 4.2 Kreisfrequenz 14 4.3 elektrische Feldamplitude 14 4.4 Leistungsdichteverteilung im Puls . 14 4.5 optische Leistung . 14 4.6 Pulsfolgezeit 16 4.7 Pulsenergie 16 4.8 Halbwertsdauer bezogen auf die optische Leis

5、tung (Pulsdauer) 16 4.9 effektive Pulsdauer . 16 4.10 Pulsvolumen 18 4.11 Pulskontrast 18 4.12 rumlicher Chirp . 18 4.13 Tastverhltnis 18 4.14 zeitliche Phasenfunktion 20 4.15 zeitlicher Chirp 20 4.16 linearer zeitlicher Chirp 20 4.17 spektrale Leistungsdichte . 20 4.18 spektrale Halbwertsbreite 22

6、4.19 effektive Spektralbreite 22 4.20 Zeit-Bandbreiten-Produkt (TBP) 22 4.21 spektrale Phase. 22 4.22 spektrale Gruppenlaufzeitdispersion (GDD) eines Pulses . 24 4.23 Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) optischer Materialien 24 4.24 Autokorrelationssignal . 24 4.25 FROG-Spektrogramm (en: Frequen

7、cy-resolved optical gating) 26 DIN 58175-1:2013-07 3 Contents Page Foreword . 5 Introduction . 7 1 Scope 9 2 Normative references 9 3 Symbols and units of measurement 9 4 Principles 15 4.1 General . 15 4.2 Angular frequency . 15 4.3 Electric field amplitude . 15 4.4 Power density within the pulse 15

8、 4.5 Optical power . 15 4.6 Pulse repetition time . 17 4.7 Pulse energy 17 4.8 Full width at half maximum defined via the optical power (pulse duration) . 17 4.9 Effective pulse duration 17 4.10 Pulse volume . 19 4.11 Pulse contrast 19 4.12 Spatial chirp . 19 4.13 Duty cycle . 19 4.14 Temporal phase

9、 . 21 4.15 Temporal chirp . 21 4.16 Linear temporal chirp 21 4.17 Spectral power density . 21 4.18 Spectral full width at half maximum 23 4.19 Effective spectral width 23 4.20 Time-bandwidth-product (TBP) 23 4.21 Spectral phase . 23 4.22 Spectral group delay dispersion (GDD) of a pulse 25 4.23 Group

10、 velocity dispersion (GVD) of optical materials . 25 4.24 Autocorrelation signal 25 4.25 FROG spectrogram (frequency-resolved optical gating) 27 DIN 58175-1:2013-07 4 Vorwort Dieses Dokument (DIN 58175-1) wurde vom Normenausschuss Feinmechanik und Optik (NAFuO), Arbeitsausschuss NA 027-01-18 AA Lase

11、r“ erarbeitet. Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Texte dieses Dokuments Patentrechte berhren knnen. Das DIN ist nicht dafr verantwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. Die Normenreihe DIN 58175, Laser und Laseranlagen Bestimmung der Eigenschaften

12、von ultrakurzen Laserpulsen, besteht aus den folgenden Teilen: Teil 1: Grundlagen Teil 2 Autokorrelationsmessverfahren DIN 58175-1:2013-07 5 Foreword This standard (DIN 58175-1) has been prepared by technical committee NA 027-01-18 AA “Laser” of the Precision Mechanics and Optics Standards Committee

13、 (NAFuO). Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent rights. DIN shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. DIN 58175 consists of the following parts, under the general title Lasers and laser-related

14、 equipment Determination of the properties of ultra-short laser pulses: Part 1: Principles Part 2: Autocorrelation measurement method DIN 58175-1:2013-07 6 Einleitung In zunehmendem Mae finden ultrakurze Laserpulse mit Pulsdauern im Piko- und Femtosekundenbereich Anwendung. Da solche Pulse extrem ku

15、rz sind, ergeben sich spezifische Vorteile in Hinblick auf technische oder industrielle Anwendungen (z. B. bei der Materialbearbeitung) und in der Medizin (z. B. in der Augenheilkunde und der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde). Weitere Vorteile und neue Anwendungen gehen von Kurzpulslasern in der Informati

16、ons- und Kommunikationstechnologie sowie in den Lebenswissenschaften (z. B. schonende Beobachtung von Prozessen in lebenden Zellen) aus. Die Entwicklung neuer technischer Einsatzmglichkeiten solcher kurzen Lichtpulse ist sicherlich noch am Anfang, und weitere innovative Anwendungen werden erwartet.

17、Vorangegangene Untersuchungen zeigten, dass existierende Normen ber Lasercharakterisierung nur einen Teil dieser neuen Technologie abdecken und daher entsprechend erweitert werden sollten, da Testmethoden fr ultrakurze Laserpulse auf vllig verschiedenen Effekten als solche fr konventionelle Laser ba

18、sieren. Bei Kurzpulslasern werden insbesondere sehr hufig nichtlineare optische Effekte in den Testmethoden verwendet. Zustzlich muss die Terminologie vereinheitlicht werden. DIN 58175-1:2013-07 7 Introduction Increasingly, ultra-short pulses with pulse durations in the range of pico-/femtoseconds a

19、re used in laser applications. As such pulses are extremely short, there are specific advantages with regard to the technical and industrial applications (e.g. processing of materials) and in the medical field (e.g. ophthalmology or ENT surgery). Further assets and new applications arise from lasers

20、 emitting short pulses for information and communication technologies as well as for metrology and life sciences (e.g. gentle observation of cellular processes). The development of the novel technical possibilities arising from those pulses is still in the beginnings and we can expect a high number

21、of innovative applications. Previous investigations showed that the existing set of standards concerning laser characterization only covers parts of the novel short pulse laser technology and therefore should be expanded, because the test methods for ultra-short pulses are based on completely differ

22、ent effects compared with those for conventional lasers and many times non-linear processes are involved. In addition the terminology has to be clarified. DIN 58175-1:2013-07 8 1 Anwendungsbereich Diese Norm legt die grundlegenden Begriffe, Formelzeichen und Einheiten fr die Charakterisierung von Ku

23、rz- und Ultrakurzpulslasern (Pikosekunden- bzw. Femtosekundenpulse) fest, um den Sprachgebrauch zu vereinheitlichen und zu klaren Definitionen zu kommen. Sie gilt in den Fllen, in denen keine direkten elektronischen Messverfahren anwendbar sind. 2 Normative Verweisungen Die folgenden Dokumente, die

24、in diesem Dokument teilweise oder als Ganzes zitiert werden, sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen)

25、. DIN EN ISO 11145, Optik und Photonik Laser und Laseranlagen Begriffe und Formelzeichen DIN EN ISO 11554, Optik und Photonik Laser und Laseranlagen Prfverfahren fr Leistung, Energie und Kenngren des Zeitverhaltens von Laserstrahlen 3 Formelzeichen und Einheiten 3.1 Als grundlegende zu beschreibende

26、 Gre sei ein Laserpuls mit einer dreidimensionalen Verteilung des komplexwertigen elektrischen Felds ),( yxtF gegeben, wobei x und y die transversalen Achsen quer zur Ausbreitungsrichtung z beschreiben und z mit der zeitlichen Verzgerung t innerhalb des Pulses ber z = ct verknpft ist. Per Definition

27、 sind negative Zeiten vorauseilend (in der Pulsvorderflanke), positive Zeiten nacheilend (in der Pulshinterflanke). Prinzipiell besitzt ),( yxtF vektoriellen Charakter aufgrund der Polarisationseigenschaften, d. h. =),(),(),(IIyxtFyxtFyxtF (1) Der Index steht dabei fr die Polarisationskomponente, de

28、ren E-Feld-Vektor senkrecht zur Tischebene steht, | entsprechend fr parallele Orientierung. Die im Folgenden besprochenen Gren knnen durch zustzliche Indizierung ggf. fr jede Polarisationskomponente getrennt definiert werden. Der Einfachheit halber erfolgt die weitere Diskussion, ohne nach Polarisat

29、ion weiter zu unterscheiden. Selbst dann ist es normalerweise unmglich, die komplette Information in ),( yxtF zu ermitteln. Vielmehr versucht man die Information auf einige wenige Kenngren zu reduzieren. Dazu verwendet man die im Folgenden abgeleiteten Gren. 3.2 Tabelle 1 zeigt eine Auflistung von F

30、ormelzeichen und Einheiten, die in Abschnitt 4 genau definiert werden. DIN 58175-1:2013-07 9 1 Scope This Standard defines fundamental terms, symbols and units of measure for the characterization of short-pulse and ultra-short-pulse lasers (picosecond and femtosecond pulses, respectively). The main

31、purpose of this document is a standardization of these terms and the provision of clear definitions for the same. The definitions in this document are applicable for all cases where no direct electronic measurements are available anymore. 2 Normative references The following documents, in whole or i

32、n part, are normatively referenced in this document and are indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies. DIN EN ISO 11145, Optics and photonics Lasers

33、 and laser-related equipment Vocabulary and symbols DIN EN ISO 11554, Optics and photonics Lasers and laser-related equipment Test methods for laser beam power, energy and temporal characteristics 3 Symbols and units of measurement 3.1 The fundamental entity for describing the three-dimensional ener

34、gy distribution inside a laser pulse is the complex-valued electric field ),( yxtF, where x and y define the transverse coordinates perpendicular to the propagation direction z. The longitudinal coordinate z is linked to the temporal delay t within the pulse via z = ct. The delay is defined such tha

35、t negative times are advanced (in the leading part of the pulse) and positive times are retarded (in the trailing part of the pulse). Allowing for polarization effects, the field ),( yxtFis of vectorial nature, i.e. =),(),(),(IIyxtFyxtFyxtF (1) Here the index represents the polarization component or

36、thogonal to the horizontal plane, whereas | represents parallel orientation. Using this indexing scheme, the below-defined terms can easily be defined separately for the two independent polarizations. For the sake of simplicity, we do not distinguish between polarizations in the subsequent discussio

37、n. Even with this restriction, it is typically impossible to retrieve a complete representation of ),( yxtF. Alternatively, one generally tries to describe the pulse using some key properties of the field distribution. 3.2 Table 1 lists symbols and units which are defined in detail in Clause 4. DIN

38、58175-1:2013-07 10 Tabelle 1 Formelzeichen und Einheiten Formelzeichen Einheit Begriff Basiseinheit gebruchliche Einheit ),( yxtaV/m elektrische Feldamplitude )(2 s2/(rad m) fs2/mm Gruppengeschwindigkeitsdispersion optischer Materialien ),(21tt1 Pulskontrast )2(D s2/rad fs2spektrale Gruppenlaufzeitd

39、ispersion eines Pulses xd m Durchmesser in x-Richtung yd m Durchmesser in y-Richtung d m Durchmesser bei kreisfrmigem Laserstrahl 1 Tastverhltnis ),( yxtEW/cm2Leistungsdichteverteilung im Puls ),( yxtFV/m elektrisches Feld ),(yxF V s /m Fouriertransformierte des elektrischen Feldes pfs1Hz Pulsfolgef

40、requenz ),(BGFttK 1 Signalfeld der untergrundfreien Intensittsautokorrelation 2. Ordnung ),(IACttK 1 Signalfeld der interferometrischen Autokorrelation 2. Ordnung ),(PGttK 1 Signalfeld des Polarisations-Gating-FROG (PG FROG) ),(SDttK 1 Signalfeld des Self-Diffractions-FROG (SD FROG) und des Transien

41、t Grating FROG (TG FROG) ),(THGttK 1 Signalfeld des auf der Erzeugung der dritten Harmonischen basierenden FROGs (THG FROG) ),( ttK 1 Signalfeld L m Lnge eines optischen Materials m Wellenlnge rad/s Kreisfrequenz ),( yxrad/s rumlicher Chirp 0rad/s mittlere Kreisfrequenz DIN 58175-1:2013-07 11 Table

42、1 Symbols and units of measurement Symbol Units Term Base units Common unit ),( yxtaV/m electric field amplitude )(2 s2/(rad m) fs2/mm group velocity dispersion of optical materials ),(21tt1 pulse contrast )2(D s2/rad fs2spectral group delay dispersion of a pulse xd m diameter in x-direction yd m di

43、ameter in y-direction d m diameter for circular laser beams 1 duty cycle ),( yxtEW/cm2power density within the pulse ),( yxtFV/m electric field ),(yxF V s /m Fourier transform of electric field pfs1Hz pulse repetition rate ),(BGFttK 1 signal field of the background free intensity autocorrelation of

44、second order ),(IACttK 1 signal field of the interferometric autocorrelation of second order ),(PGttK 1 signal field of polarization gating FROG (PG-FROG) ),(SDttK 1 signal field of self-diffraction FROG (SD-FROG) and transient grating FROG (TG-FROG) ),(THGttK 1 signal field of third harmonic genera

45、tion FROG (THG-FROG) ),( ttK 1 signal field L m length of an optical material m wavelength rad/s angular frequency ),( yxrad/s spatial chirp 0rad/s average angular frequency DIN 58175-1:2013-07 12 Tabelle 1 (fortgesetzt) Formelzeichen Einheit Begriff Basiseinheit gebruchliche Einheit ),( yxx rad/(s

46、m) lineare Chirpkomponente fr x durch einfache Differentiation ),( yxy rad/(s m) lineare Chirpkomponente fr y durch einfache Differentiation pkPW Pulsspitzenleistung )(tPW optische Leistung ( )PW s spektrale Leistungsdichte (je Einheitsfrequenzintervall) )(PW/m Leistungsdichte je Einheitswellenlngen

47、intervall )(t rad zeitliche Phasenfunktion )( rad spektrale Phase Q J Pulsenergie )(ACFtS 1 Autokorrelationssignal ),(FROGtS 1 FROG-Spektrogramm ZyklT s Dauer einer optischen Schwingung (Zyklusdauer) 0t s Schwerpunkt des Pulses rept s Pulsfolgezeit eff s effektive Pulsdauer H s Halbwertsdauer bezoge

48、n auf die optische Leistung (Pulsdauer) )(n 1 Brechungsindex V m3Pulsvolumen v s1Frequenz eff s1Hz effektive Spektralbreite H s1Hz spektrale Halbwertsbreite )(t s1Hz zeitlicher Chirp 0 s1Hz Trgerfrequenz 1 s2THz/fs linearer zeitlicher Chirp 1 Zeit-Bandbreiten-Produkt eff 1 effektives Zeit-Bandbreite

49、n-Produkt 0Z Vakuumimpedanz DIN 58175-1:2013-07 13 Table 1 (continued) Symbol Units Term Base units Common unit ),( yxx rad/(s m) linear chirp component for x obtained by a first derivation ),( yxy rad/(s m) linear chirp component for y obtained by a first derivation pkPW pulse peak power )(tPW optical power )(PW s spectral power density (per unity freq