高能激光光束质量评价与测试方法

国家标准 GB/T32831一2016 高能激光光束质量评价与测试方法 Evaluationandtestmmethodsforbeamqualityofhighenergy laser 2016-08-29发布 2017-03-01实施 国家质量监督检验检疫总局 发布 国家标准化管理委员会国家标准
GB/T32831一2016 高能激光光束质量评价与测试方法 范围 本标准规定了采用3因子、,Q因子,BPF因子和矩阵对高能激光光束质量的评价与测试方达 本标准适用于持续时间不小于0.25s,功率不小于10kw或脉冲能量不小于500的高能激光光 束质量的评价和测试,其他类型高能激光的评价可参照执行 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 GB7247.1激光产品的安全第1部分;设备分类,要求 GB/T7247.14激光产品的安全第14部分;用户指南 GB/T13962一2009光学仪器术语 GB/T15313一2008激光术语 JF1059.1一2012测量不确定度评定与表示 激光和激光相关设备燕光束霓度、发散角和光束传输比试验方法第3部 ISO11146-3:2004 分;内在和几何激光束的分类、传播和试验方法细则(L.asersandlaserrelatedequipment一Test methodsforlaserbeamwidths,divergenceanglesandbeampropagationratiosPart3:Intrinsicand geometricallaserbeamclassificationpropagationanddetailsoftestmethods) 术语和定义 GB/T13962一2009和GB/T15313一2008界定的以及下列术语和定义适用于本文件 参考光束refereneebheam 用于评价光束质量的理想光束 高斯光束的参考光束为理想基模高斯光束,非高斯光束的参考光 束为强度与相位分布均匀的理想平面波光束 注对非高斯光束,参考光束横截面可为圆形,圆环形、矩形或空心矩形,选取方法见附录A 3.2 桶中功率比p0wer(ratio)inthebucket 在光束横截面内,以光束轴为中心的一定直径或宽度区域内功率与光束总功率之比 3.3 远场发散角far-fielddivergeneeangle 桶中功率比为u的远场光束直径或宽度与传输距离的比 1lin 衍射极限角diretim mitangle 理想平面波参考光束远场衍射中心亮斑宽度对应的远场发散角
GB/T32831一2016 3.5 concentricobseurationratio 中心遮拦比 空心束内环直径或宽度与外环直径或宽度的比值 注:空心束横截面形态包括圆环形和空心矩形 3.6 factorB 因子 被测光束的远场发散角与参考光束的衍射极限角的比值 注:被测光束远场发散角内含桶中功率比与参考光束衍射极限角内桶中功率比相等 3.7 BQ因子 naetoro BQ 参考光束与被测光束在衍射极限角内桶中功率比之比的平方根值 3.8 BPF因子factorBPp BPF 被测光束与圆形参考光束在衍射极限角内桶中功率比之比 3.9 M矩阵matrixM M MM 表示,其中M和M分别为实验室坐标系下 和y方向上的 M矩阵由2×2矩阵 [M!M M',M,为实验室坐标系下方向与y方向的交叉项 对M矩阵的描述参见附录B. 评价方法 4.1 概述 应根据不同光束特性,选择相应的光束质量评价方法: 当关注的远场光束宽度大于衍射极限角对应的光束宽度时,宜采用月因子评价光束质量 a 当关注的远场光束宽度与衍射极限角对应的光束宽度相近时,宜采用BQ因子或BPF因子评 b 价光束质量， 当被测光束具有非旋转对称传输特性时,宜采用M矩阵评价光束质量 4.2因子 8因子的计算按式(1): 3=9..nl/e..=d..m/dd 式中 被测光束远场发散角,内含桶中功率比与参考光束衍射极限角内桶中功率比相等 日 real 日 -参考光束衍射极限角,桶中功率比u的计算方法见附录A: w,re 被测光束远场光束直径或宽度,内含桶中功率比与参考光束衍射极限角内桶中功率比 clwrnl 相等; 参考光束行射极限角对应的远场光束直径或宽度,计算方法见附录A dd
GB/T32831一2016 注;理想光束的光束质量3因子的数值等于1,实际被测光束的光束质量8因子的数值大于1 4.3Q因子 BQ因子的计算按式(2). BQ=、uu 式中 参考光束衍射极限角内的桶中功率比,计算方法见附录A re 被测光束在参考光束衍射极限角内的桶中功率比 urer 注;理想光束的光束质量BQ因子的数值等于1,实际被测光束的光束质量BQ因子的数值大于1 4.4BPr因子 BPF因子的计算按式(3): BPF=u/u=1.19P;/P 3 式中: 被测光束在圆形参考光束衍射极限角内的功率,单位为瓦(w); ？ P 被测激光束的总功率,单位为瓦(w 注1，圆形参考光束行射极限角内桶中功率比l=0.838,其倒数为l.19 注2:理想光束的光束质量BPF因子为1,实际被测光束的光束质量BPF因子小于1 4.5M矩阵 M矩阵的计算按式(4) MM! 「d .9 d 9 [d,.ed e M!M 式中: d 被测光束在r方向的束腰宽度平方; 被测光束在y方向的束腰宽度平方 d 被测光束束腰宽度平方在r、y方向的交叉项; d e: 被测光束在方向的束散角平方; e 被测光束在y方向的束散角平方; 6 被测光束束散角平方在r、y方向的交叉项; 被测激光束的波长 .实际被测光束的M矩阵中的M和M的数值大于1 注:理想基模高斯光束的M矩阵为 测试方法 5.1 测试条件与要求 5.1.1测试条件 在无其他规定时测试条件应满足以下要求 工作温度:15C35C; a b)相对湿度:45%一75%; 气压:80kPa106kPa; c
GB/T32831一2016 d)需采取隔振和光电噪声屏蔽等措施,保证振动与杂散光等外界因素对测试的影响在测试装置 允许范围内; 工作电压应满足测试对象和测试装置使用要求 5.1.2测试装置 测试装置要求如下: 测试装置的响应波长应与被测激光波长相匹配,光谱滤波器引人的像差均方根值(rms)应小 于测试波长的十分之一; b测试装置的响应时间应满足被测激光要求; 测试装置的线性动态范围应大于300; 测试装置的有效通光直径宜大于被测光束直径的1.2倍 测试装置的光束变换部分引人的像差均方根值(rmms应小于测试波长的十分之一,引人的空 间光强调制度宜小于1.2; 光束衰减器的抗激光损伤阔值应高于被测激光的功率或能量 衰减倍率应满足测试装置探测 动态范围的要求,并在使用前应对其进行标定 光束衰减器由于波长、偏振、非线性、非均匀性 等因素引起的光束质量相对变化应在使用前进行标定,且宜小于5% gBPF因子测试装置中的分束镜分光比为1:l h)测试装置应经校准,且在有效期内使用 5.1.3安全防护 应按GB7247.1和GB/T7247.14的要求,对工作人员和测试装置采取高能激光辐射安全防护 措施 5.2因子测试方法 5.2.1测试装置 测试装置示意图如图1所示 一回一-一一口一回一回 说明 被激光束; -光束变换系统" 光束衰减器; -面阵探测器; 光谐滤波器(必要时) 数据采集处理系统 图1B因子测试装置示意图 被测激光束经过光束衰减器,光谱滤波器和光束变换系统后,聚焦于面阵探测器上,数据采集系统 获得每一帧光斑强度分布,根据强度分布计算出被测激光束远场光束直径或光束宽度,再计算出光束质 量8因子 5.2.2测试步骤 测试步骤如下 利用与被测光束同轴的指示光,调整测试装置位置与角度,应使指示光进人测试装置未被遮 a
GB/T32831一2016 挡,面阵探测器位于光束变换系统的焦面上,光斑图像应在面阵探测器输出图像中心区域,关 闭指示光; 根据被测光强量级和面阵探测器动态范围,选择合适衰减倍率的光束衰减器,宜使测试装置输 出图像峰值光强处于动态范围的2/3以上,但不饱和; 采集背景图像,采集帧数应大于50帧,计算平均本底帧和噪声标准差 出光过程中采集被测光束的远场光斑强度分布图像; 扣除平均本底帧和噪声标准差(处理方法见IsO11146-3:2004第3章) 以光斑强度分布一 阶矩质心为中心,计算出桶中功率比为u.的光束直径或光束宽度 对圆形和圆环形参考光 束,M.的计算方法见式(A.4) 对矩形和空心矩形参考光束,M的计算方法见式(A.12)和式 A.13); 计算参考光束的光束直径或光束宽度 对圆形和圆环形参考光束,计算方法见式(A.2)和式 f A.3) 对矩形和空心矩形,计算方法见式(A.8)一式(A.11) 按式(I)计算8因子 5.2.3不确定度评定 对于需要进行不确定度评定的按JJF1059.1-2012规定的方法进行 5.3Bo因子测试方法 5.3.1测试装置 测试装置原理框图如图1所示 被测激光束经过光束衰减器,光谱滤波器和光束变换系统后,聚焦 于面阵探测器上,数据采集系统获得每一帧光斑强度分布,根据光斑强度分布以一阶矩质心为中心,计 算出被测光束在参考光束衍射极限角内的桶中功率比,再计算出参考光束衍射极限角内的桶中功率比 得到BQ因子 5.3.2测试步骤 测试步骤如下 a)利用与被测光束同轴的指示光,调整测试装置位置与角度,应使指示光进人测试装置未被遮 挡,面阵探测器位于光束变换系统的焦面上,光斑图像应在面阵探测器输出图像中心区域,关 闭指示光 根据被测光强量级和面阵探测器动态范围,选择合适衰减倍率的光束衰减器,宜使测试装置输 出图像峰值光强处于动态范围的2/3以上,但不饱和; 采集背景图像,采集帧数应大于50帧,计算平均本底帧和噪声标准差; 出光过程中采集被测光束的远场光斑强度分布图像; d) e)扣除平均本底帧和噪声标准差(处理方法见ISO1l146-3;2004第3章); 计算参考光束衍射极限角对应远场光束直径或宽度，以及内含桶中功率比,计算方法见附 录A; 根据被测光束光斑强度分布,以一阶矩质心为中心计算出在参考光束衍射极限角内的桶中功 率比,按式(2)计算BQ因子 5.3.3不确定度评定 对于需要进行不确定度评定的按JF1059.1一2012规定的方法进行
GB/T32831一2016 5.4Br因子测试方法 5.4.1测试装置 测试装置示意图如图2所示 口一回一-一口 说明 被测激光束; 分束镜; 光束衰减器; 小孔; 光谱滤波器(必要时); -功率探测器1; 光束变换系统; 功率探测器2 图2BP因子测试装置示意图 被测激光束经过光束衰减器,光谱滤波器和光束变换系统后,被分束镜分为两束，一束直接进人功 率探测器1,另一束经过通光直径为d.的小孔后,进人功率探测器2,用于测试衍射极限角内的桶中 功率,计算BPF因子 5.4.2测试步骤 测试步骤如下: 利用与被测光束同轴的指示光,调整测试装置位置与角度,应使指示光进人测试装置未被遮 挡,保证指示光与测试系统共轴,功率探测器1与小孔分别位于光束变换系统的焦面上,功率 探测器2紧贴小孔放置; 调整功率探测器2和小孔的相对位置保证聚焦光束几何中心与小孔中心重合,使得透过小孔 的光束全部进人功率探测器2中,关闭指示光 根据被测光束功率量级和探测器动态范围,选择合适哀衰减倍率的光束哀减器,使得功率探测器 接收功率处于线性范围内且未饱和: 出光过程中,记录功率探测器1的输出功率,计算被测激光输出总功率尸,;记录功率探测器2 的输出功率,计算被测激光在圆形参考光束衍射极限角内的功率尸; 按式(3)计算光束质量BPF因子 5.4.3不确定度评定 对于需要进行不确定度评定的按JF1059.12012规定的方法进行 5.5M矩阵测试方法 5.5.1测试装置 测试装置示意图如图3所示
GB/T32831一2016 口一口一_工一口一 说明: 被测激光束; 面阵探测器; 光束衰减器; 数据采集处理系统; 光谱滤波器(必要时); 平移台 光束变换系统; 图3M矩阵测试装置示意图 被测激光束经过光束衰减器、光谱滤波器和光束变换系统后,被置于平移台上的面阵探测器接收 沿光束传输方向移动平移台,测试被测激光在不同位置处的光斑强度分布图像,基于二阶矩法和多点拟 合法求出M矩阵 然后将各个位置处的光斑强度分布图像同时绕、轴旋转角度0,计算不同旋转角度 下的M(O),得到曲线M!(o随0变化的曲线 5.5.2测试步骤 测试步骤如下 a)利用与被测光束同轴的指示光,调整测试系统位置与角度,应使指示光进人测试系统未被遮 挡 调整平移台位置与角度,确保平移台在移动过程中,测试装置输出图像位置保持不变 调 整面阵探测器位置,使得光斑图像位于面阵探测器输出图像中心区域 b关闭指示光,平移台移动至初始位置; 根据被测光强量级和面阵探测器动态范围,选择合适衰减倍率的光束衰碱器,宜使测试装置输 出图像峰值光强处于动态范围的2/3以上,但不饱和; 采集背景图像,采集帧数应大于50帧,计算平均本底帧和噪声标准差; d 输出被测激光,采集该位置处的光斑强度分布图像1(r,y,s); e 移动平移台,改变面阵探测器在轴的位置,重复步骤c),d),e),测试位置不少于10个,保证 其中有一半位置位于瑞利距离以内 针对每个位置:处的光斑强度分布图1(r,,y,=),扣除该位置处的平均本底帧和噪声标准差 g 处理方法见1SO11146-3:2004第3章). 按式(5),式(6)计算光斑质心; h rl(r,y,)drd .(e) I(.ry之)d.rdy yl(r,y,)drd (6 y( I(.r,y,必drdy 按式(7)式(9)计算 方向束宽平方di(e)、》方向束宽平方d(e)及交叉项d;(e) 16 [r一r(:)]'1(r,y,=)drdy dl.(之)= G小)dad
GB/T32831一2016 16 [y一y(:)]=1(r,y,:)drd 8 d(c) I(ry,)d.rdy 16 [x .r(c)][y一y(:)]I(r,y,:)drdy 9 d.(:) l(r,y,定)drdy 采用最小二乘法对不同位置的d( 及交叉项d.(e)进行二次曲线拟合,获得式 i (10)的系数a、b、c,a 和a .10 k)按式(11)分别计算出光束在实验室坐标系下的.r方向束腰宽度平方d、y方向束腰宽度平 方d,及其交叉项d ,束散角平方6、6，及其交叉项e [d -b:/4a ld，=c,一/4a lda b/4a， ==C'r (11 le?=a le;=a lo 按式(4)得到M矩阵; m将各个位置处的光斑强度分布图像同时绕轴按一定角度间隔旋转360"(角度间隔可取值 10"),重复步骤h)1)得到不同旋转角度0下的M矩阵,画出M曲线 5.5.3不确定度评定 对于需要进行不确定度评定的按JF1059.1一2012规定的方法进行
GB/T32831一2016 附 录A 规范性附录 非高斯光束参考光束的选取及参数计算 A.1参考光束的选取 根据实际被测光束横截面形态,参考光束可为圆形,圆环形、矩形或空心矩形 圆形或圆环形参考 光束直径为实际光束的近场光束直径,圆环形参考光束内径为最大不遮光同心圆直径 矩形或环形矩 形外宽度为实际光束的近场光束宽度,环形矩形参考光束内宽度为最大不遮光同心矩形宽度 参考光 束截面选取示意图如图A.1所示 内环 内环 外环 外环 图A.1参考光束截面选取示意图 注:非高斯光束近场光束外环直径或光束宽度对应的桶中功率比一般可取99% 圆形和圆环形参考光束远场光束直径及桶中功率比 根据夫朗和费衍射理论,在傍轴条件计算出半径为”的参考光束远场强度分布见式A.1). (2[rdar/(A] ,,r/A - u，near I(r)=I (A.1 rdl r/(f入 Ted.r/fA n.ner 式中: 参考光束远场峰值强度; Ia -阶贝塞尔函数; -与实际光束对应的参考光束近场光束直径; -测试装置等效焦距 实际光束激光波长; 中心遮拦比 令 1(r)=0,得到圆环形光束强度零点半径应满足的位置方程见式(A.2): A..2 J[rda.emr/A门]-eJ[redaemr/A)]=0 解方程得到第一级解,乘以2得到光束直径 对圆环形参考光束衍射极限角对应的远场光束直径 d.有简化式A.3).: A.3 da.=cA/dammn 式中: 与光束中心遮拦比相关的远场发散角系数 参考光束衍射极限角远场光束直径内的桶中功率比u见式(A.4): "2xfd=-r/2 I(r)drd0 (A,4) lre l(r)drd"
GB/T32831一2016 数值计算得出远场发散角系数 和衍射极限角桶中功率比u与遮拦比e的对应值,当e=0时为 圆形束 表A.1给出了常用值以作参考 表A.1e,u与公的对应值 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 2.44 2.43 2.4 2.38 2.33 2.28 2.23 2.17 2.12 2.06 0.838 0.833 0.819 0.795 0.764 0.726 0.683 0.635 0.585 0.532 tlred 0.50 0.55 0,60 0.65 0,70o 0,75 0,80 0,85 0.95 0.90 2.00 1.95 1.89 1.84 1.79 1.74 1.70 1.65 1.61 1.57 0.479 0,425 0.372 0.320 0.269 0.220 0.172 0.126 0.082 0.040 ured A.3矩形和矩形环形参考光束远场光束宽度及桶中功率比 根据夫朗和费衍射理论,在傍轴条件下得出远场强度分布见式(A.5)一式A.7). sinasin SinaEsinE I(.ry=Io A.5 E.E aE Ye .r/(f入 A.6 三Tdl N- =xd.mm,y/A) A.7 式中: 空心矩形束在r方向上的中心遮拦比 E 空心矩形束在y方向上的中心遮拦比; E 与被测光束对应的参考光束 方向近场光束宽度 d 与被测光束对应的参考光束 方向近场光束宽度 令！=0,得到矩形环形光束强度零点在r,y两个方向上应满足的位置方程见式(A.8)、式(A.9). A.8) sina一sinae， siny (A.9 sIn7E， 满足位置方程的第一级解为光束半宽度,乘以2得到光束宽度 当c=0时为矩形参考光束,r,y方向衍射极限角对应的远场光斑宽度有简化式(A.10),式(A.11): (A.10 =2Af/dw.mn dr. r“rc d =2入f/lm (A.11 y"m 式中 -参考光束的.r方向衍射极限角对应的远场光束宽度 d“ 参考光束的》方向行射极限角对应的远场光束宽度" 参考光束衍射极限角方向远场光束宽度内的桶中功率比见式(A.12) 1(r,y)drdy (A.12 r IG (,y)drdy 参考光束衔射极眼角》方向远场光束宽度内的幅中功率比见式(A.13) dy"m I(.r,y)dyd.r A.13 ue l1(r,y)drdy 注理论上,必需对整个平面内进行积分 实际上,要求对占光束功率(能量)至少99%的面积进行积分 10o
GB/T32831一2016 附 录 B 资料性附录 M矩阵描述 B.1M矩阵的特性 在实验室坐标系下,束宽平方d(e)、d(e以及交叉项d.(e构成的矩阵与光斑主轴方向上 对应的束宽平方di(e)、di(e满足式(B.1所示的变换关系 d()d,(:) sina][di(e cOsa cosa sina (B,1 Ld,(:)d(e di(e)] sina cOsa Sina cOsa 式中: 光斑主轴方向与实验室坐标系r方向的夹角 在实验室坐标系下,从初始角度0"开始,将各个位置处的光斑强度分布图像同时绕、轴旋转0角 后的束宽平方d..(e、d..(e以及交叉项d.n(e满足式(B.2)所示的变换关系 d.(e)d(e cos(a0) sin(a十0)1 T" ld2.a( Lsin(a十0 cos(a十0 d(c d3.() 十) sin(a十) c0sa sin(a十0 cos(a十 被测激光束在实验室坐标系下的光斑取向及光斑图像旋转如图B.1所示 说明 -光斑主轴方向与实验室坐标系.r方向的夹角 光斑图像旋转角 图B.1被测激光束的光斑取向及光斑图像旋转示意图 B.2M矩阵举例 作为计算例设厄米-高斯光束TEM经过两个母线有一定夹角的柱透镜，令第一个柱透镜焦距为 a4m.其母线与工抽夹角为0,第二个柱透镜焦距为0m,其母线与不轴夫角为-,输出光束具"
GB/T32831一2016 有复杂像散特性 基于衍射理论计算出光束在10个传输位置的光强分布图像I(r,y,) 按照5.5.2 规定的测试方法计算可得该输出光束的M矩阵为: 「AM 1.080 0.107 "]-" M -0.107 9,080 M'曲线如图B.2所示 图中实心单位圆表示基模高斯光束的M'曲线 M'曲线越接近于单位 圆,被测激光的光束质量越接近于理想基模高斯光束的光束质量;M'曲线越偏离于单位圆,光束质量 越差 90 60 120 30 150 1M) 180 210 330 240 300 270o 图B.2厄米-高斯光束TEM0通过两柱透镜后的M.‘曲线

高能激光光束质量评价与测试方法GB/T32831-2016

引言

高能激光技术作为一种重要的先进制造技术，被广泛应用于微纳加工、光学通信、医学治疗等领域。在这些应用中，光束质量是一个至关重要的参数。因此，对于高能激光光束的质量评价和测试方法具有重要意义。

标准介绍

GB/T32831-2016《高能激光光束质量评价与测试方法》标准是由中国国家标准化委员会制定的，旨在规范高能激光光束的质量评价和测试方法。该标准主要包括以下内容：

• 术语和定义
• 光束质量的评价标准
• 光束质量测试方法
• 误差分析和不确定度评定

应用与意义

GB/T32831-2016标准提供了一套规范的高能激光光束质量评价和测试方法，为高能激光研究领域的科学家们提供了一个统一的标准。这些方法可以帮助研究人员更加准确地评价光束的质量，提高光束传输的效率，从而提高高能激光设备的性能和可靠性。

此外，该标准的实施还有利于促进国内高能激光技术的发展，提升我国在该领域的竞争力。因此，我们有理由相信，GB/T32831-2016标准的颁布将对我国高能激光行业的发展产生积极的影响。

结论

通过本文的介绍，我们了解到GB/T32831-2016标准在高能激光研究领域中的应用和意义。该标准为高能激光光束质量的评价和测试提供了一套规范的方法，可以提高研究人员的工作效率，促进我国高能激光技术的发展。

高能激光光束质量评价与测试方法的相关资料

和高能激光光束质量评价与测试方法类似的标准

GB/T32831-2016

高能激光光束质量评价与测试方法

2022/10/3 10:20:56 现行