ICS31.260 L51 中华人民共和国国家标准 GB/T32831—2016 高能激光光束质量评价与测试方法 Evaluationandtestmethodsforbeamqualityofhighenergylaser 2016-08-29发布 2017-03-01实施 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会发布前 言 本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。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:中国工程物理研究院应用电子学研究所、国防科技大学、四川大学、中国电子科技 集团公司第十一研究所。 本标准主要起草人:田小强、刘泽金、冯国英、周朴、赵鸿、姜东升、周文超、李玮、王小林、唐淳、张凯、 杨火木、韩敬华、周寿桓。 ⅠGB/T32831—2016 高能激光光束质量评价与测试方法 1 范围 本标准规定了采用β因子、BQ因子、BPF因子和M矩阵对高能激光光束质量的评价与测试方法。 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500J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。 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—2009 光学仪器术语 GB/T15313—2008 激光术语 JJF1059.1—2012 测量不确定度评定与表示 ISO11146-3:2004 激光和激光相关设备 激光束宽度、发散角和光束传输比试验方法 第3部 分:内在和几何激光束的分类、传播和试验方法细则(Lasersandlaser-relatedequipment—Test methodsforlaserbeamwidths,divergenceanglesandbeampropagationratios—Part3:Intrinsicand geometricallaserbeamclassification,propagationanddetailsoftestmethods) 3 术语和定义 GB/T13962—2009和GB/T15313—2008界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 参考光束 referencebeam 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 power(ratio)inthebucket u 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-fielddivergenceangle Θu 桶中功率比为u的远场光束直径或宽度与传输距离的比。 3.4 衍射极限角 diffractionlimitangle 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。 1GB/T32831—2016 3.5 中心遮拦比 concentricobscurationratio ε 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 β因子 factorβ β 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 factorBQ 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 factorBPF 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 M矩阵由2×2矩阵M4 xM4 xy M4 xyM4 yé ëêêù ûúú表示,其中M4 x和M4 y分别为实验室坐标系下x和y方向上的 M4,M4 xy为实验室坐标系下x方向与y方向的交叉项。对M矩阵的描述参见附录B。 4 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: a) 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β因子评价光束质量; b)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 价光束质量; c)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 β因子 β因子的计算按式(1): β=Θu,real/Θu,ref=du,real/du,ref …………………………(1) 式中: Θu,real———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; Θu,ref———参考光束衍射极限角,桶中功率比u的计算方法见附录A; du,real———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 相等; du,ref———参考光束衍射极限角对应的远场光束直径或宽度,计算方法见附录A。 2GB/T32831—2016 注:理想光束的光束质量β因子的数值等于1,实际被测光束的光束质量β因子的数值大于1。 4.3 BQ因子 BQ因子的计算按式(2): BQ=uref/ureal …………………………(2) 式中: uref———参考光束衍射极限角内的桶中功率比,计算方法见附录A; ureal———被测光束在参考光束衍射极限角内的桶中功率比。 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。 4.4 BPF因子 BPF因子的计算按式(3): BPF=ureal/uref=1.19Ph/Pt …………………………(3) 式中: Ph———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); Pt———被测激光束的总功率,单位为瓦(W)。 注1:圆形参考光束衍射极限角内桶中功率比uref=0.838,其倒数为1.19; 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。 4.5 M矩阵 M矩阵的计算按式(4): =M4 xM4 xy M4 xyM4 yé ëêêù ûúú=π2 16λ2d2 0x·Θ2 xd2 0xy·Θ2 xy d2 0xy·Θ2 xyd2 0y·Θ2 yé ëêêù ûúú……………………(4) 式中: d2 0x———被测光束在x方向的束腰宽度平方; d2 0y———被测光束在y方向的束腰宽度平方; d2 0xy———被测光束束腰宽度平方在x、y方向的交叉项; Θ2 x———被测光束在x方向的束散角平方; Θ2 y———被测光束在y方向的束散角平方; Θ2 xy———被测光束束散角平方在x、y方向的交叉项; λ———被测激光束的波长。 注:理想基模高斯光束的M矩阵为10 01é ëêêù ûúú,实际被测光束的M矩阵中的M4 x和M4 y的数值大于1。 5 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: a) 工作温度:15℃~35℃; b)相对湿度:45%~75%; c)气压:80kPa~106kPa; 3GB/T32831—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; e)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: a) 测试装置的响应波长应与被测激光波长相匹配,光谱滤波器引入的像差均方根值(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; c)测试装置的线性动态范围应大于300; d)测试装置的有效通光直径宜大于被测光束直径的1.2倍; e)测试装置的光束变换部分引入的像差均方根值(rms)应小于测试波长的十分之一,引入的空 间光强调制度宜小于1.2; f)光束衰减器的抗激光损伤阈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%; g)BPF因子测试装置中的分束镜分光比为1∶1; 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 β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。 说明: 1———被测激光束; 2———光束衰减器; 3———光谱滤波器(必要时); 4———光束变换系统; 5———面阵探测器; 6———数据采集处理系统。 图1 β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β因子。 5.2.2 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,应使指示光进入测试装置未