GB∕ T 42403-2023 激光器和激光相關(guān)設(shè)備 激光光譜特性測量方法

激光器和激光相關(guān)設(shè)備激光光譜特性測量方法Testmethodsforthespectralch國家標(biāo)準化管理委員會國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布國家標(biāo)準化管理委員會1GB/T42403—2023 Ⅲ 1 1 1 65波長和帶寬的測量 7 75.2低分辨力測量 5.3高分辨力測量 6.2單頻激光器的波長穩(wěn)定性 7測試報告 附錄A(資料性)空氣的折射率 附錄B(資料性)光柵單色儀及其附件的選擇準則——校準 附錄C(資料性)法布里-珀羅干涉儀的選擇準則 20Ⅲ——刪除了ISO13695:2004的第5章，ISO13695:2004的第6章～第8章對應(yīng)本文件的第5章~第7章；第3章);1激光器和激光相關(guān)設(shè)備激光光譜特性測量方法下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不GB/T27418測量不確定度評定和表示(GB/T27418—2017,ISO/IECGu (1)光輻射在標(biāo)準條件下的干燥空氣(0%濕度)中傳播的波長，與真空中的波長的關(guān)系見公式(2): 2輻射功率[能量]譜密度radiantpower[energy]spectraldensity激光束在dλ波長范圍內(nèi)傳播的輻射功率dP(λ)[或脈沖激光的輻射能量dQ(a)]與dλ的比值，見公式(3):峰值波長peakwavelength光譜輻射功率(能量)分布為其最大值時的波長。見圖1。加權(quán)平均波長(一階矩)weightedaveragewavelength(firstmoment)表示光譜輻射功率(能量)分布的重心的波長，見公式(5):S(λ)連續(xù)激光的光譜輻射功率分布Pa(λ),或脈沖激光的光譜輻射能量分布Q(λ)。見圖1。中心波長centralwavelengthλ譜線或模式的波長加權(quán)平均值，見公式(6): (6)式中：λ——第i個譜線或第i個模式的波長；I;——第i個譜線或第i個模式的相對輻射功率；i,i分別代表小于和大于λp并且離λ。最遠的兩個譜線或模式。平均波長averagewavelengthλav3λav=c/vav均方根光譜輻射帶寬(二階矩)RMSspectralradiationbandwidth(secondmoment) (8)S(λ)——連續(xù)激光的光譜輻射功率分布Pa(λ),或脈沖激光的光譜輻射能量分布Q(λ)。見圖1。均方根光譜帶寬RMSspectralbandwidth均方根帶寬定義見公式(9),參見圖1。 (9)I?——第i個譜線或第i個模式的相對輻射功率；4圖1激光的光譜特性——參數(shù)定義圖解縱模數(shù)numberoflongitudinalmodesN位于λ。的最強模式的相對輻射功率Ip與位于λ,的第二強模式的相對輻射式(10):如圖2所示。 (11)5脈沖重復(fù)頻率pulserepetitionratefp重復(fù)脈沖激光器每秒發(fā)出的激光脈沖數(shù)。波長的溫度相關(guān)性temperaturedependenceofwavelength單位溫度T變化引起的激光波長的變化量，見公式(12): (12)波長的電流相關(guān)性currentdependenceofwavelength單位電流I變化引起的激光波長的變化量，見公式(13): (13)激光器的艾倫方差A(yù)llanvarianceforalaser在平均時間t內(nèi)頻率波動的雙樣本方差，見公式(14):y(k)——這個數(shù)據(jù)集中第k次y的測量值；注1:頻率測量時，分數(shù)偏差y(t)見公式(15):y(t)=[v(t)-v?]/v? (15)vo——標(biāo)稱頻率。測量時間都是t,并且在相鄰測量之間沒有停止時間。當(dāng)t<100s時，數(shù)據(jù)集需至少包含100個數(shù)據(jù)。對于注4:有關(guān)更多詳細信息，請參閱參考文獻[2儀器響應(yīng)函數(shù)instrumentalresponsefunction當(dāng)入射波長為單色波長λ。時，儀器在設(shè)定波長λ的輸出信號。6GB/T42403—2023儀器有效光譜帶寬instrumentaleffectivespectralbandwidth一一Qm連續(xù)激光的光譜輻射功率分布P?(λ),或脈沖激光的光譜輻射能量分布Q(a)λmmm空氣中的波長mm加權(quán)平均波長(一階矩)m峰值波長7表1符號和縮略語(續(xù))mλm中心波長m均方根光譜輻射帶寬(二階矩)m光譜帶寬mm半高寬光譜帶寬m譜線寬m測量的光譜輻射帶寬(二階矩)m均方根光譜帶寬v法布里-珀羅(FP)干涉儀的自由光譜范圍(FSR)s根據(jù)激光的光譜特性、激光的預(yù)期用途和激光的波長(或頻率)測量時要求的不確定度水平UA或本文件假定在光束的整個空間功率(能量)分布上激光束的光譜特性都是相同的。如果不是這樣，在5.1.3中建議了三個測試級別。b)在關(guān)注的時間范圍內(nèi)模式穩(wěn)定的多模激光器；8c)單頻激光器：假設(shè)在測量期間激光器的光譜特性是穩(wěn)定的，但是這可能需要通過隨后的行評價(見第6章)。其最大值的1%。如果使用了其他積分下限和積分上限，應(yīng)在測試報告中說明?？赡艽嬖谶@樣的情況，在非常寬的波長范圍內(nèi)光譜分布的值并非遠小于其最大值的1%,如，在寬當(dāng)?shù)湫偷牟淮_定度U?/λ=U,/v在10-?~10-?量級時，中等精度測量是有用的，適用于窄帶脈沖激寬內(nèi)的縱模數(shù)Nm以及邊模抑制比SMS。應(yīng)確定中心波長λ,均方根光譜帶寬△λm。應(yīng)測量隨工作應(yīng)根據(jù)要求的精度和激光器類型選擇合適的儀器。例如，高分辨力光柵光譜儀的實際分辨本領(lǐng)R=λ/△λin?？梢赃_到10?~10?數(shù)量級。對于脈沖激光，只能使用儀器帶寬的倒數(shù)小于脈沖持續(xù)時間rn的干涉儀，自由光譜范圍為vFsR,精細度為F,則最小脈沖持續(xù)時間為F/vFsR。如果雙光束干涉儀的最大光程差為L,最小脈沖持續(xù)時間為L/c,其中c是光速。9將激光束耦合到測量系統(tǒng)的任何光學(xué)元件(透鏡、平面鏡、光纖等)在測量范圍矩陣(見ISO12005)識別。應(yīng)考慮測量系統(tǒng)的偏振相關(guān)的光譜響應(yīng)。已知光柵單色儀之類折射率的計算從干燥空氣的色散公式開始。在標(biāo)準條件下，即在15℃的溫度、101325Pa壓強、450×10-?(450ppm)的CO?體積分數(shù)和0%的濕度條件下，可使用公式(18),即修正的埃德倫公式計算空氣的折射率(見參考文獻[4]):如果激光器波長(或頻率)測量的不確定度U?/λm=U./vm可接受水平大于10-4,則無需詳細考慮如果波長(或頻率)測量的不確定度UA/λm=U,/vm可接受水平小于或等于10-4,應(yīng)通過公式(19)校正測量結(jié)果(見參考文獻[4]):f×[3.7345-0.0401×(1000/λ)2×10-10na——空氣的折射率；1+e是高階p和T校正項，1+e=1+10-?×p×(0.601-0.00972×T);1+x是一個考慮了CO?體積分數(shù)φco?與450×10-?(450ppm)的偏差，1+x=1+0.54×(φco?-如果波長不確定度U?/λm=U./vm的可接受水平大于10-?,兩個校正項都可視為等于1。如果激光器波長(或頻率)測量不確定度U?/λm=U,/vm的可接受水平小于10-7,波長測量應(yīng)在真中等尺寸的光柵單色儀(焦距約為30cm)適合低分辨力測量。單獨一臺儀器也許可用于所有類型光柵單色儀及其附件的選擇見附錄B。狹縫。應(yīng)通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)使光束與儀器的孔徑比匹配。這通常需要聚焦激光應(yīng)檢查儀器的有效光譜帶寬值△λm,使用窄線寬激光束作為參考光束，調(diào)整后使光束具有大致相如果儀器在關(guān)注的波長范圍內(nèi)掃描，步長應(yīng)適應(yīng)所需的分辨力。記寬的時間小得多。例如，這兩個時間中后者為前者的10倍布小于其最大值的1%。如果使用了其他積分下限和積分上限，應(yīng)在測試報告中說明?？赡艽嬖谶@樣的情況，在非常寬的波長范圍內(nèi)光譜分布的值并非遠小于其最大值的1%,例c)將結(jié)果記錄在測試報告數(shù)據(jù)表中。 t=2nD/c (20)一個CCD相機或線性CCD光電二極管陣列(以圓形條紋為中心)來記錄圖像。通過與干涉儀的條紋間距或自由光譜范圍vrsR=c/(2nD)進行比較，確定光源的光譜分布。對于斐索條紋，這種關(guān)系是線性自延遲零差法是測量在可見光到中紅外波段內(nèi)激光光譜帶寬的有用工外差法是確定連續(xù)或脈沖激光器光譜特性相關(guān)參數(shù)的有力工具。式中：v,——參考激光的振蕩頻率；5.3.6不確定度U?/λ=U,/v在10-?~10-?范圍內(nèi)的中等精度分析c)確定3.14定義的縱模數(shù)Nm;a)一般信息：1)參考的標(biāo)準(本文件);2)測試日期；3)測試機構(gòu)的名稱和地址；4)執(zhí)行測試的個人姓名。1)激光器類型；2)制造商；3)制造商的型號名稱；4)序列號。1)被測激光波長；3)工作模式(連續(xù)或脈沖);4)激光參數(shù)設(shè)置：5)模式結(jié)構(gòu)(如果已知);6)偏振態(tài)；7)環(huán)境條件：1)測試儀器：2)測量時間(脈沖激光的脈沖數(shù))。4)峰值波長λp;6)加權(quán)平均波長λg;7)譜線寬△λL;8)均方根光譜帶寬△λms;10)邊模抑制比SMS;11)溫度相關(guān)性8λr;13)輻射功率/脈沖能量(若適用)P,Q;14)激光器的艾倫方差o2(2,t)。(資料性)為了將相對濕度和露點溫度轉(zhuǎn)換為水蒸氣壓強，可以用水飽和壓強pv的公參考文獻[5]):pv=F?×exp(AT2+BT+C+DT-1)………(示例：對于20℃下的水蒸氣，總大氣壓p=101325Pa,相對濕度為50%,水蒸氣的分壓為：A.2在大范圍的波長和大氣條件下折射率的高精度計算可見光和近紅外波長范圍，并且適用于非常大范圍的大氣條件，即0%～100%的相對濕度和零下溫度。A.3可選用的標(biāo)準條件料標(biāo)準規(guī)定長度測量的參考溫度固定在20℃。定義新的標(biāo)準條件，特別是溫度為(資料性)B.1簡介光柵單色儀的性能與其光柵的衍射特性和尺寸、相對于光柵尺寸的儀器sina?+sina?=kNλ在大多數(shù)情況下，入射角α?非常接近衍射角α?,a?≈a?=a,因此2sina=kNλ。B.1.3實際分辨本領(lǐng)F?全面描述分辨本領(lǐng)相對于理論值的下降：Rpk=F?IFq?kR對光學(xué)像差的敏感度取決于單色儀的孔徑值，定義為L?/L。,L是準直光學(xué)系統(tǒng)的焦距。品質(zhì)因——F?=1,L/L.>10;對光學(xué)元件表面缺陷的敏感度取決于光譜范圍。品質(zhì)因數(shù)F?的典型值為：——F=0.9,λ>0.7μm;上面給出的分辨本領(lǐng)的公式假設(shè)入射狹縫的寬度和出射狹縫的寬度(或器像素的尺寸)可以做得與衍射極限(AL:)/(L.cosa)限制的尺寸一樣小。在短波長區(qū)域可能很難實現(xiàn)2sinas=NλB ——S=0.9,λ=λs。(資料性)法布里-珀羅干涉儀是測量連續(xù)或脈沖激光光譜分布的有效工具。掃描法法布里-珀羅標(biāo)準具都適用于光譜純度好的激光器。掃描法布里-珀羅干涉儀可用于光譜純度高的激OFSR=1/(2nD)P,(o)=λ2P?(λ),Q,(a)=λ2Q(λ)法布里-珀羅干涉儀的第二個特征是它的精細度F,由其反射鏡的反射率R通過公式(C.3)確定：諧振腔的波數(shù)掃描可以通過逐漸允許干燥空氣或中性氣體進入諧振腔(掃描折射率n),或通過掃[1]ISO12005Lasersand