ISO 11554:2017
(Main)Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam power, energy and temporal characteristics
Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam power, energy and temporal characteristics
ISO 11554:2017 specifies test methods for determining the power and energy of continuous wave and pulsed laser beams, as well as their temporal characteristics of pulse shape, pulse duration and pulse repetition rate. Test and evaluation methods are also given for the power stability of cw-lasers, energy stability of pulsed lasers and pulse duration stability. The test methods given in this document are used for the testing and characterization of lasers.
Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai de la puissance et de l'énergie des faisceaux lasers et de leurs caractéristiques temporelles
L'ISO 11554:2017 spécifie des méthodes d'essai pour la détermination de la puissance et de l'énergie des faisceaux lasers continus et impulsionnels ainsi que leurs caractéristiques temporelles de forme d'impulsion, de durée d'impulsion et du taux de répétition d'impulsion. Elle indique, en outre, des méthodes d'essai et d'évaluation de la stabilité de la puissance des lasers continus, de la stabilité de l'énergie des lasers impulsionnels et de la stabilité de la durée d'impulsion. Les méthodes d'essai données dans l'ISO 11554:2017 sont destinées à être utilisées pour les essais et la détermination des caractéristiques des lasers.
General Information
Relations
Buy Standard
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 11554
Fourth edition
2017-07
Optics and photonics — Lasers and
laser-related equipment — Test
methods for laser beam power, energy
and temporal characteristics
Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers
— Méthodes d’essai de la puissance et de l’énergie des faisceaux lasers
et de leurs caractéristiques temporelles
Reference number
ISO 11554:2017(E)
©
ISO 2017
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 11554:2017(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2017, Published in Switzerland
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form
or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior
written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of
the requester.
ISO copyright office
Ch. de Blandonnet 8 • CP 401
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
ii © ISO 2017 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 11554:2017(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and units of measurement . 2
5 Measurement principles . 3
6 Measurement configuration, test equipment and auxiliary devices .3
6.1 Preparation . 3
6.1.1 Sources with small divergence angles . 3
6.1.2 Sources with large divergence angles . 3
6.1.3 RIN measurement . 4
6.1.4 Measurement of small signal cut off frequency . 5
6.2 Control of environmental impacts . 5
6.3 Detectors . 6
6.4 Beam-forming optics . 7
6.5 Optical attenuators . 7
7 Measurements . 7
7.1 General . 7
7.2 Power of cw lasers . 7
7.3 Power stability of cw lasers . 8
7.4 Pulse energy of pulsed lasers . 8
7.5 Energy stability of pulsed lasers . 8
7.6 Temporal pulse shape, pulse duration, rise time, fall time and peak power . 8
7.7 Pulse duration stability . 8
7.8 Pulse repetition rate . 8
7.9 Relative intensity noise, RIN . 9
7.10 Small signal cut-off frequency . 9
8 Evaluation . 9
8.1 General . 9
8.2 Power of cw lasers .10
8.3 Power stability of cw lasers .10
8.4 Pulse energy of pulsed lasers .10
8.5 Energy stability of pulsed lasers .10
8.6 Temporal pulse shape, pulse duration, rise time, fall time and peak power .11
8.7 Pulse duration stability .12
8.8 Pulse repetition rate .13
8.9 Relative intensity noise, RIN .13
8.10 Small signal cut-off frequency .13
9 Test report .13
Annex A (informative) Relative intensity noise (RIN) .16
Bibliography .18
© ISO 2017 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 11554:2017(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following
URL: w w w . i s o .org/ iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee
SC 9, Electro-optical systems.
This fourth edition cancels and replaces the third edition (ISO 11554:2006) which has been technically
revised. The following changes were made:
a) Subclause 3.1: definition of RIN was changed in order to harmonize with ISO 11145:2016.
b) Clause 4, note 3: Expression for dB calculation was corrected.
c) Figure 3: Explanation of M was modified.
d) Subclause 7.9: Measurement of RIN was added, and former content of 7.9 was moved to 7.10.
e) Subclause 7.10: Explanation for the measurement of small signal cut-off frequency was modified.
f) Subclause 8.9: Explanation for RIN was added and former content of 8.9 was moved to 8.10.
g) Clause 9, item 8): Parameters for RIN were added, and former content of item 8) was moved to item 9).
h) Equation numbers were renumbered.
iv © ISO 2017 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 11554:2017(E)
Introduction
The measurement of laser power (energy for pulsed lasers) is a common type of measurement
performed by laser manufacturers and users. Power (energy) measurements are needed for laser safety
classification, stability specifications, maximum laser output specifications, damage avoidance, specific
application requirements, etc. This document provides guidance on performing laser power (energy)
measurements as applied to stability characterization. The stability criteria are described for various
temporal regions (e.g. short-term, medium term and long term) and provide methods to quantify
these specifications. This document also covers pulse measurements where detector response speed
can be critically important when analysing pulse shape or peak power of short pulses. To standardize
reporting of power (energy) measurement results, a report template is also included.
This document is a Type B standard as stated in ISO 12100.
The provisions of this document may be supplemented or modified by a Type C standard.
Note that for machines which are covered by the scope of a Type C standard and which have been
designed and built according to the provisions of that standard, the provisions of that Type C standard
take precedence over the provisions of this Type B standard.
© ISO 2017 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD ISO 11554:2017(E)
Optics and photonics — Lasers and laser-related
equipment — Test methods for laser beam power, energy
and temporal characteristics
1 Scope
This document specifies test methods for determining the power and energy of continuous wave and
pulsed laser beams, as well as their temporal characteristics of pulse shape, pulse duration and pulse
repetition rate. Test and evaluation methods are also given for the power stability of cw-lasers, energy
stability of pulsed lasers and pulse duration stability.
The test methods given in this document are used for the testing and characterization of lasers.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 11145, Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and symbols
ISO/IEC Guide 99, International vocabulary of metrology — Basic and general concepts and associated
terms (VIM)
IEC 61040:1990, Power and energy measuring detectors, instruments and equipment for laser radiation
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 11145, ISO/IEC Guide 99 and
the following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at http:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
relative intensity noise
RIN
R( f )
quotient of the radiant power mean square fluctuations to the mean square radiant power, normalized
to a frequency band of unit width
2
ΔPf()
1
Rf = · (1)
()
2
Δf
Pf
()
Note 1 to entry: The relative intensity noise R( f ) or RIN [see Formula (1)] is explicitly spoken of as the “relative
intensity noise spectral density”, but usually simply referred to as RIN.
Note 2 to entry: For further details, see Annex A.
© ISO 2017 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 11554:2017(E)
3.2
small signal cut off frequency
f
c
frequency at which the laser power output modulation drops to half the value obtained at low
frequencies when applying small, constant input power modulation and increasing the frequency
4 Symbols and units of measurement
The symbols and units specified in ISO 11145 and in Table 1 are used in this document.
Table 1 — Symbols and units of measurement
Symbol Unit Term
f Hz Frequency
f Hz Small signal cut-off frequency
c
[ f ,f ] Hz Frequency range for which the relative intensity noise R( f ) is given
1 2
k 1 Coverage factor for the determination of uncertainty
1 Reading
m
1 Mean value of readings
m
P W Power averaged over the sampling period
Mean power, averaged over the measurement period at the operating con-
W
P
ditions specified by the manufacturer
Relative power fluctuation to a 95 % confidence level for the appropri-
ΔP 1 ate sampling period [ΔP (1 µs) and/or ΔP (1 ms) and/or ΔP (0,1 s) and/or
ΔP (1 s)]
J Mean pulse energy
Q
1 Relative pulse energy fluctuation to a 95 % confidence level
ΔQ
-1
R( f ) Hz or dB/Hz Relative intensity noise, RIN
S(t) 1 Detector signal
s 1 Measured standard deviation
T s Pulse repetition period
t s Measurement period
Expanded relative uncertainty corresponding to a 95 % confidence level
U 1
rel
(coverage factor k = 2)
Expanded relative uncertainty of calibration corresponding to a 95 %
U (C) 1
rel
confidence level (coverage factor k = 2)
τ s Fall time of laser pulse
F
Relative pulse duration fluctuation with regard to τ to a 95 % confi-
H
Δτ 1
H
dence level
τ s Rise time of laser pulse
R
Relative pulse duration fluctuation with regard to τ to a 95 % confi-
10
Δτ 1
10
dence level
[1]
NOTE 1 For further details regarding 95 % confidence level see ISO 2602 .
NOTE 2 The expanded uncertainty is obtained by multiplying the standard uncertainty by a coverage factor
[3]
k = 2. It is determined according to the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement . In general, with
this coverage factor, the value of the measurand lies with a probability of approximately 95 % within the interval
defined by the expanded uncertainty.
-1
NOTE 3 R( f ) expressed in dB/Hz equals 10 log R( f ) with R( f ) given in Hz .
10
2 © ISO 2017 – All rights reserved
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 11554:2017(E)
5 Measurement principles
The laser beam is directed on to the detector surface to produce a signal with amplitude proportional to
the power or energy of the laser. The amplitude versus time is measured. Radiation emitted by sources
with large divergence angles is collected by an integrating sphere. Beam forming and attenuation
devices may be used when appropriate.
The evaluation method depends on the parameter to be determined and is described in Clause 8.
6 Measurement configuration, test equipment and auxiliary devices
6.1 Preparation
6.1.1 Sources with small divergence angles
The laser beam and the optical axis of the measuring system shall be coaxial. Select the diameter (cross-
section) of the optical system such that it accommodates the entire cross section of the laser beam and
so that clipping or diffraction loss is smaller than 10 % of the intended measurement uncertainty.
Arrange an optical axis so that it is coaxial with the laser beam to be measured. Suitable optical
alignment devices are available for this purpose (e.g. aligning lasers or steering mirrors). Mount the
attenuators or beam forming optics such that the optical axis runs through the geometrical centres.
Care should be exercised to avoid systematic errors.
NOTE 1 Reflections, external ambient light, thermal radiation and air currents are all potential sources of errors.
After the initial preparation is completed, make an evaluation to determine if the entire laser beam
reaches the detector surface. For this determination, apertures of different diameters can be introduced
into the beam path in front of each optical component. Reduce the aperture size until the output signal
has been reduced by 5 %. This aperture should have a diameter at least 20 % smaller than the aperture
of the optical component. For divergent beams, the aperture should be placed immediately in front of
the detector to ensure total beam capture.
NOTE 2 Remove these apertures before performing the power (energy) measurements described in Clause 7.
6.1.2 Sources with large divergence angles
The radiation emitted by sources with large divergence angles shall be collected by an integrating
sphere. The collected radiation is subjected to multiple reflections from the wall of the integrating
sphere; this leads to a uniform irradiance of the surface proportional to the collected flux. A detector
located in the wall of the sphere measures this irradiance. An opaque screen shields the detector from
the direct radiation of the device being measured. The emitting device is positioned at or near the
entrance of the integrating sphere, so that no direct radiation will reach the detector.
Figure 1 shows an integrating sphere measurement configuration for a small emitting source positioned
inside the integrating sphere. Large sized sources should, of course, be positioned outside the sphere
but close enough to the input aperture so that all emitted radiation enters the sphere.
© ISO 2017 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 11554:2017(E)
Key
1 integrating sphere
2 diffusing opaque screen
3 device being measured
4 detector
Figure 1 — Schematic arrangement for the measurement of highly divergent sources
6.1.3 RIN measurement
The measuring arrangement for determination of the RIN is shown in Figure 2. The beam propagates
through the lens, an attenuator or other lossy medium, and falls on the detector. When adjusting the
measuring arrangement, feedback of the output power into the laser shall be minimized to avoid
measurement errors.
The RIN, R( f ) is determined at reference plane A, before any losses. The Poisson component of the RIN
is increased at plane B due to losses, and again at plane C due to inefficiency in the detection process.
NOTE For an explanation of the different components of RIN, see Annex A.
To measure RIN, an electrical splitter sends the dc detector signal produced by a test laser to a meter
while the ac electrical noise is amplified and then displayed on an electrical spectrum analyser. RIN
depends on numerous quantities, the primary ones being:
— frequency;
— output power;
— temperature;
— modulation frequency;
— time delay and magnitude of optical feedback;
— mode suppression ratio;
— relaxation oscillation frequency.
Consequently, variations or changes in these quantities should be minimized during the measurement
process.
4 © ISO 2017 – All rights reserved
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 11554:2017(E)
Key
1 laser 7 pre-amplifier
2 lens 8 electrical spectrum analyser
3 attenuator or other lossy medium A reference plane that defines RIN
4 detector B Poisson RIN increases due to losses
5 electrical splitter C detector adds shot noise RIN
6 meter
Figure 2 — Measurement arrangement for RIN determination
6.1.4 Measurement of small signal cut off frequency
For determination of the small signal cut off frequency, f , of lasers, the laser is modulated as described
c
in 7.10 and the ac output power measured. Figure 3 shows the basic measurement arrangement for the
case of diode lasers. When adjusting the measuring arrangement, feedback of the output power into the
laser shall be minimized to avoid measurement errors.
Key
D device being measured G adjustable frequency ac generator
1
PD detector (e.g. photodetector) G dc generator
2
M measuring instrument for ac output power of diode laser C , C coupling capacitors
1 2
Figure 3 — Measurement arrangement for determination of the small signal cut off frequency
of diode lasers
6.2 Control of environmental impacts
Take suitable precautions, such as vibration mechanical and acoustical isolation of the test set up,
shielding from extraneous radiation, temperature stabilization of the laboratory and choice of low
© ISO 2017 – All rights reserved 5
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 11554:2017(E)
noise amplifiers, in order to ensure that the contribution to the total error is less than 10 % of the
intended uncertainty. Check by performing background measurements such as described in Clause 7,
but with the laser beam blocked from the detector (e.g. by a beam stop in the laser resonator or close to
the laser output). The value for the standard deviation (laser beam blocked) obtained by an evaluation
as described in Clause 8 shall be smaller than one tenth of the value obtained from a measurement with
the laser beam reaching the detector.
6.3 Detectors
The radiation detector shall be in accordance with IEC 61040:1990, in particular with Clauses 3 and 4.
Furthermore, the following points shall be noted:
a) Calibrated power (energy) meter:
— any wavelength dependency, nonlinearity or non-uniformity of the detector or the electronic
device shall be minimized or corrected by use of a calibration procedure;
— the direct measurement, i.e. using a planar-surface detector without an integrating sphere, can
only be used when it has been determined that the sensitivity of the detector is uniform and
independent on incident angles, α, to within at least the divergence angle, Θ, of the incident beam
(see Figure 4) and the entire beam reaches the sensitive surface of the detector; for measuring
beams with large divergence, an integrating sphere detector should be used to ensure collection
of all the emitted radiation [see 6.3, b)];
— detectors used for all quantitative measurements shall be calibrated with traceability back to
relevant national standards.
Key
1 planar detector
Θ divergence angle of the beam
α maximum acceptance angle
Figure 4 — Planar detector — Illustration of angles
b) Calibrated integrating sphere:
— the area of the sphere openings shall be small compared to the overall surface area of the sphere;
— the inner surface of the sphere and screen shall have a uniform diffusing coating with a high
reflectance (ρ > 0,9);
— the total losses through the sphere ports shall be less than 5 %;
— if the device being measured is mounted inside the sphere, the sphere surface shall be large
compared to the device surface, the screen and the apertures;
— the sphere and detector assembly shall be calibrated with traceability back to relevant national
standards.
6 © ISO 2017 – All rights reserved
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 11554:2017(E)
c) Time resolving detector:
— it shall be confirmed, from manufacturer’s data or by measurement, that the output quantity
of the detector (e.g. the voltage) is linearly dependent on the input quantity (laser power); any
wavelength dependency, nonlinearity or non-uniformity of the detector and any associated
electronic devices shall be minimized or corrected by use of a calibration procedure;
— the electrical frequency bandwidth of the detector, including the bandwidth of all associated
electronics, shall correctly reproduce the temporal laser pulse shape.
When measuring pulse shape characteristics (e.g. peak power, pulse width, etc.), the rise time and the
fall time of the detector (including the amplifier and other associated electronics) being used shall be
less than one tenth of the rise time and the fall time of the pulses to be measured, respectively.
When measuring small signal cut-off frequency, the detector shall have a frequency response greater
than 3f .
c
Care shall be taken to ascertain the damage thresholds (for irradiance, radiant exposure, power and
energy) of the detector surface and all optical elements located between the laser and the detector (e.g.
polarizer, attenuator) to ensure they are not exceeded by the incident laser beam.
6.4 Beam-forming optics
If the cross-section of the beam is greater than the detector area, a suitable optical system shall be used
to image the area of the cross-section of the laser beam on to the detector surface.
Optics shall be selected appropriate to the wavelength of the laser radiation being measured.
Absorption/reflection/clipping/diffraction losses shall be measured and accounted for in all
measurements. The laser radiation polarization state shall be accounted for if polarization-dependent
reflections are present.
6.5 Optical attenuators
When necessary, an attenuator can be used to reduce the laser power density at the surface of the
detector.
Optical attenuators shall be used when the output laser power or power density exceeds either the
detector’s working (linear) range or its damage threshold. Any wavelength dependency, polarization
dependency, angular dependency, nonlinearity or spatial non-uniformity of the optical attenuator shall
be minimized or corrected by use of a calibration procedure.
7 Measurements
7.1 General
If not otherwise stated, carry out all measurements 10 times, with intervening background
measurements.
Before beginning the measurement the laser shall be warmed up according to the manufacturer’s
specifications in order to achieve thermal equilibrium. Carry out the measurements at the operating
conditions specified by the laser manufacturer for the type of laser that is being evaluated.
7.2 Power of cw lasers
Measure the power using a calibrated power meter and, if required, using a calibrated attenuator.
© ISO 2017 – All rights reserved 7
---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 11554:2017(E)
7.3 Power stability of cw lasers
For the determination of short-term-stability, the measurement period is 1 ms. The beam is sampled
every 1 μs. The time constant of the detecting system shall be less than or equal to 1/3 μs.
For the determination of medium-short-term stability, the measurement period is 1 s. The beam is
sampled every 1 ms. The time
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 11554
Quatrième édition
2017-07
Optique et photonique — Lasers et
équipements associés aux lasers —
Méthodes d’essai de la puissance et
de l’énergie des faisceaux lasers et de
leurs caractéristiques temporelles
Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test
methods for laser beam power, energy and temporal characteristics
Numéro de référence
ISO 11554:2017(F)
©
ISO 2017
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 11554:2017(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2017, Publié en Suisse
Droits de reproduction réservés. Sauf indication contraire, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée
sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur
l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Ch. de Blandonnet 8 • CP 401
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
ii © ISO 2017 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 11554:2017(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et unités de mesurage . 2
5 Principes de mesurage . 3
6 Configuration de mesurage, appareillage d’essai et dispositifs auxiliaires .3
6.1 Préparation . 3
6.1.1 Sources ayant de petits angles de divergence . 3
6.1.2 Sources ayant de grands angles de divergence . 4
6.1.3 Mesure du RIN . 4
6.1.4 Mesurage de la fréquence de coupure aux petits signaux . 5
6.2 Contrôle des impacts environnementaux . 6
6.3 Détecteurs . 6
6.4 Optique de formation du faisceau . 8
6.5 Atténuateurs optiques . 8
7 Mesurages . 8
7.1 Généralités . 8
7.2 Puissance des lasers continus . 8
7.3 Stabilité de la puissance des lasers continus . 8
7.4 Énergie d’impulsion des lasers impulsionnels . 9
7.5 Stabilité de l’énergie des lasers impulsionnels . 9
7.6 Forme d’impulsion temporelle, durée d’impulsion, temps de montée, temps de
descente et puissance de crête . 9
7.7 Stabilité de la durée d’impulsion . 9
7.8 Fréquence de répétition des impulsions . 9
7.9 Bruit d’intensité relative, RIN . 9
7.10 Fréquence de coupure aux petits signaux . 9
8 Évaluation .10
8.1 Généralités .10
8.2 Puissance des lasers continus .10
8.3 Stabilité de puissance des lasers continus .11
8.4 Énergie d’impulsion des lasers impulsionnels .11
8.5 Stabilité de l’énergie des lasers impulsionnels .11
8.6 Forme d’impulsion temporelle, durée d’impulsion, temps de montée, temps de
descente et puissance de crête .12
8.7 Stabilité de la durée d’impulsion .13
8.8 Taux de répétition des impulsions .14
8.9 Bruit d’intensité relative, RIN .14
8.10 Fréquence de coupure aux petits signaux .14
9 Rapport d’essai .14
Annexe A (informative) Bruit d’intensité relative (RIN) .17
Bibliographie .19
© ISO 2017 – Tous droits réservés iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 11554:2017(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: w w w . i s o .org/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique,
sous-comité 9, Systèmes électro-optiques.
Cette quatrième édition annule et remplace la troisième édition (ISO 11554:2006), qui a fait l’objet d’une
révision technique. Les changements suivants ont été faits:
a) Paragraphe 3.1: la définition du RIN a été changée afin d’harmoniser avec l’ISO 11145:2016;
b) Article 4, note 3: l’expression pour le calcul du dB a été corrigée;
c) Figure 3: l’explication de M a été modifiée;
d) Paragraphe 7.9: la mesure du RIN a été ajoutée, et l’ancien contenu du 7.9 a été déplacé en 7.10;
e) Paragraphe 7.10: l’explication du mesurage de la fréquence de coupure aux petits signaux a été
modifiée;
f) Paragraphe 8.9: l’explication du RIN a été ajoutée, et l’ancien contenu du 8.9 a été déplacé en 8.10;
g) Article 9, point 8): les paramètres pour le RIN ont été ajoutés, et l’ancien contenu du point 8) a été
déplacé au point 9);
h) Les numéros des équations ont été renumérotés.
iv © ISO 2017 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 11554:2017(F)
Introduction
Le mesurage de la puissance laser (de l’énergie pour les lasers impulsionnels) est un type courant
de mesurage effectué par les fabricants et les utilisateurs de lasers. Les mesurages de puissance
(énergie) sont nécessaires pour la classification de la sécurité des lasers, les spécifications de stabilité,
les spécifications de puissance maximale de sortie, la prévention des dommages, les exigences
d’application spécifique, etc. Le présent document fournit des lignes directrices relatives à la réalisation
des mesurages de puissance (énergie) des lasers aux fins de caractérisation de la stabilité. Les critères
de stabilité sont décrits pour des espaces temporels variés (par exemple le court terme, le moyen
terme et le long terme) et fournissent des méthodes visant à quantifier ces spécifications. Le présent
document couvre aussi les mesurages d’impulsions lorsque la vitesse de réponse du détecteur peut
être d’importance critique lors de l’analyse de la forme d’impulsion ou de la puissance de crête des
impulsions courtes. Pour normaliser le rapport de résultats de mesurage de la puissance (énergie), un
modèle de rapport est également inclus.
Le présent document est une norme de type B, comme énoncé dans l’ISO 12100.
Les dispositions du présent document peuvent être complétées ou modifiées par une norme de type C.
Noter que pour les machines qui sont couvertes par le domaine d’application d’une norme de type C et
qui ont été conçues et fabriquées selon les dispositions de cette norme, les dispositions de cette norme
de type C prévalent sur les dispositions de la présente norme de type B.
© ISO 2017 – Tous droits réservés v
---------------------- Page: 5 ----------------------
NORME INTERNATIONALE ISO 11554:2017(F)
Optique et photonique — Lasers et équipements associés
aux lasers — Méthodes d’essai de la puissance et de
l’énergie des faisceaux lasers et de leurs caractéristiques
temporelles
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie des méthodes d’essai pour la détermination de la puissance et de l’énergie
des faisceaux lasers continus et impulsionnels ainsi que leurs caractéristiques temporelles de forme
d’impulsion, de durée d’impulsion et du taux de répétition d’impulsion. Elle indique, en outre, des
méthodes d’essai et d’évaluation de la stabilité de la puissance des lasers continus, de la stabilité de
l’énergie des lasers impulsionnels et de la stabilité de la durée d’impulsion.
Les méthodes d’essai données dans le présent document sont destinées à être utilisées pour les essais
et la détermination des caractéristiques des lasers.
2 Références normatives
Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des
exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 11145, Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et symboles
Guide ISO/IEC 99, Vocabulaire international de métrologie — Concepts fondamentaux et généraux et
termes associés (VIM)
IEC 61040:1990, Détecteurs, instruments et matériels de mesurage de puissance et d’énergie des
rayonnements laser
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 11145, dans le
Guide ISO/IEC 99 ainsi que les suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse http:// www .iso .org/ obp
3.1
bruit d’intensité relative
RIN
R( f )
© ISO 2017 – Tous droits réservés 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 11554:2017(F)
quotient de la moyenne quadratique des variations de la puissance de rayonnement par la moyenne
quadratique de la puissance moyenne de rayonnement, normalisée à une bande de fréquence de largeur
unitaire
2
ΔPf()
1
Rf()= (1)
2
Δf
Pf()
Note 1 à l’article: Le bruit d’intensité relative R( f) ou RIN [voir Formule (1)] est explicitement appelé «densité
spectrale de bruit d’intensité relative», mais généralement appelée simplement RIN.
Note 2 à l’article: Pour plus de détails, voir l’Annexe A.
3.2
fréquence de coupure aux petits signaux
f
c
fréquence à laquelle la modulation de puissance de sortie du laser chute de la moitié de la valeur obtenue
à de basses fréquences lorsqu’on applique une modulation de puissance d’entrée faible, constante, et
que l’on augmente la fréquence
4 Symboles et unités de mesurage
Les symboles et unités spécifiés dans l’ISO 11145 et dans le Tableau 1 sont utilisés dans le présent
document.
Tableau 1 — Symboles et unités de mesurage
Symbole Unité Terme
f Hz Fréquence
f Hz Fréquence de coupure aux petits signaux
c
[ f , f ] Hz Plage de fréquences pour laquelle le bruit d’intensité relative R( f ) est donné
1 2
k 1 Facteur d’élargissement pour la détermination de l’incertitude
m 1 Lecture
1 Valeur moyenne des lectures
m
P W Puissance moyennée sur la durée d’échantillonnage
Puissance moyenne, moyennée sur la durée de mesurage, aux conditions de fonc-
W
P
tionnement spécifiées par le fabricant
Fluctuation relative de puissance à un niveau de confiance de 95 % pour une
ΔP 1 durée d’échantillonnage appropriée [ΔP (1 µs) et/ou ΔP (1 ms) et/ou ΔP (0,1 s) et/
ou ΔP (1 s)]
J Énergie pulsée moyenne
Q
ΔQ 1 Fluctuation relative de l’énergie d’impulsion au niveau de confiance de 95 %
−1
R( f ) Hz ou dB/Hz Bruit d’intensité relative, RIN
S(t) 1 Signal du détecteur
s 1 Écart-type mesuré
T s Durée de répétition des impulsions
t s Durée de mesurage
Incertitude relative élargie correspondant à un niveau de confiance de 95 % (fac-
U 1
rel
teur d’élargissement k = 2)
Incertitude relative élargie d’étalonnage correspondant à un niveau de confiance
U (C) 1
rel
de 95 % (facteur d’élargissement k = 2)
τ s Temps de descente de l’impulsion du laser
F
2 © ISO 2017 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 11554:2017(F)
Tableau 1 (suite)
Symbole Unité Terme
Fluctuation relative de la durée d’impulsion par rapport à τ au niveau de
H
Δτ 1
H
confiance de 95 %
τ s Temps de montée de l’impulsion du laser
R
Fluctuation relative de la durée d’impulsion par rapport à τ au niveau de
10
Δτ 1
10
confiance de 95 %
[1]
NOTE 1 Pour de plus amples détails concernant le niveau de confiance de 95 %, voir l’ISO 2602 .
NOTE 2 L’incertitude élargie s’obtient en multipliant l’incertitude-type par un facteur d’élargissement k = 2.
[3]
On la détermine conformément au Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure . En général, avec ce facteur
d’élargissement, la valeur du mesurande se situe dans l’intervalle défini par l’incertitude élargie, avec une
probabilité d’approximativement 95 %.
−1
NOTE 3 R( f ), exprimé en dB/Hz, est égal à 10 log R( f ), R( f ) étant donné en Hz .
10
5 Principes de mesurage
Le faisceau laser est dirigé sur la surface du détecteur pour produire un signal dont l’amplitude est
proportionnelle à la puissance ou à l’énergie du laser. L’amplitude est mesurée en fonction du temps.
Le rayonnement émis par des sources avec de grands angles de divergence est capté par une sphère
intégrante. Il est possible d’utiliser des dispositifs de formation et d’atténuation du faisceau, si cela est
approprié.
La méthode d’évaluation dépend du paramètre à déterminer et elle est décrite dans l’Article 8.
6 Configuration de mesurage, appareillage d’essai et dispositifs auxiliaires
6.1 Préparation
6.1.1 Sources ayant de petits angles de divergence
Le faisceau laser et l’axe optique du système de mesurage doivent être coaxiaux. Choisir le diamètre
(section transversale) du système optique de sorte qu’il contienne la totalité de la section transversale
du faisceau laser et que la perte par séparation ou diffraction soit inférieure à 10 % de l’incertitude de
mesurage prévue.
Disposer un axe optique de façon qu’il soit coaxial avec le faisceau laser à mesurer. Il existe, pour cela,
des dispositifs d’alignement optique adaptés (par exemple des lasers d’alignement ou des miroirs
orientables). Monter les atténuateurs ou les optiques de mise en forme du faisceau de telle façon que
l’axe optique passe par les centres géométriques. Il convient de prendre des précautions pour éviter les
erreurs systématiques.
NOTE 1 Les réflexions, la lumière ambiante extérieure, le rayonnement thermique et les courants d’air sont
tous des sources potentielles d’erreur.
La préparation initiale étant achevée, faire une évaluation pour déterminer si la totalité du faisceau
laser atteint la surface du détecteur. Pour cette détermination, des ouvertures de différents diamètres
peuvent être introduites dans le trajet du faisceau en face de chaque composant optique. Réduire la
dimension de l’ouverture jusqu’à réduction du signal de sortie de 5 %. Il convient que cette ouverture
ait un diamètre inférieur d’au moins 20 % à l’ouverture du composant optique. Pour les faisceaux
divergents, il est recommandé que l’ouverture soit placée immédiatement en face du détecteur pour
assurer la capture totale du faisceau.
NOTE 2 Retirer ces ouvertures avant d’effectuer les mesurages de puissance (énergie) décrits dans l’Article 7.
© ISO 2017 – Tous droits réservés 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 11554:2017(F)
6.1.2 Sources ayant de grands angles de divergence
Le rayonnement émis par des sources avec de grands angles de divergence doit être capté par une
sphère intégrante. Le rayonnement capté est soumis à des réflexions multiples à partir de la paroi de la
sphère intégrante; ceci conduit à un éclairement uniforme de la surface proportionnel au flux capté. Un
détecteur situé dans la paroi de la sphère mesure cet éclairement. Un écran opaque protège le détecteur
contre le rayonnement direct du dispositif soumis au mesurage. Le dispositif émetteur est positionné à,
ou près de, l’entrée de la sphère intégrante de sorte qu’aucun rayonnement direct n’atteigne le détecteur.
La Figure 1 présente une configuration de mesurage par sphère intégrante pour une petite source
émettrice positionnée à l’intérieur de la sphère intégrante. Il convient que les sources de grandes
dimensions soient évidemment positionnées à l’extérieur de la sphère, mais assez proches de l’ouverture
d’entrée afin que tout le rayonnement émis entre dans la sphère.
Légende
1 sphère intégrante
2 écran opaque diffusant
3 dispositif soumis au mesurage
4 détecteur
Figure 1 — Schéma de montage pour le mesurage de sources hautement divergentes
6.1.3 Mesure du RIN
La configuration de mesure utilisée pour déterminer le RIN est présentée à la Figure 2. Le faisceau se
propage à travers la lentille, un atténuateur ou un autre milieu réducteur et est recueilli par le détecteur.
Lors de l’ajustement de la configuration de mesure, le retour de la puissance de sortie dans le laser doit
être minimisé de façon à éviter des erreurs de mesurage.
Le RIN, R( f ), est déterminé au plan A de référence, avant toute perte. La composante de Poisson du RIN
est augmentée au plan B en raison des pertes et de nouveau au plan C en raison d’une inefficacité du
processus de détection.
NOTE Une explication des différentes composantes du RIN est donnée en Annexe A.
Pour mesurer le RIN, un séparateur électrique envoie le signal continu produit par un laser d’essai dans
un ampèremètre, tandis que le bruit électrique en courant alternatif est amplifié et ensuite affiché sur
un analyseur de spectre électrique. Le RIN dépend de nombreuses grandeurs dont les principales sont:
— la fréquence;
— la puissance de sortie;
— la température;
4 © ISO 2017 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 11554:2017(F)
— la fréquence de modulation;
— le retard et l’amplitude du retour optique;
— le rapport mode/suppression;
— la fréquence d’oscillation d’atténuation.
De ce fait, il est recommandé de minimiser les variations ou modifications de ces grandeurs pendant le
processus de mesurage.
Légende
1 laser 7 préamplificateur
2 lentilles 8 analyseur de spectre électrique
3 atténuateur ou autre milieu réducteur A plan de référence qui définit le RIN
4 détecteur B composante de Poisson du RIN qui augmente
en raison des pertes
5 séparateur électrique C détecteur qui ajoute un bruit de grenaille au RIN
6 ampèremètre
Figure 2 — Configuration de mesurage utilisée pour déterminer le RIN
6.1.4 Mesurage de la fréquence de coupure aux petits signaux
Pour déterminer la fréquence de coupure aux petits signaux, f , des lasers, le laser est modulé suivant la
c
description en 7.10 et la puissance de sortie en courant alternatif est mesurée. La Figure 3 représente la
configuration basique de mesurage dans le cas de diodes lasers. Lors de l’ajustement de la configuration
de mesurage, le retour de la puissance de sortie dans le laser doit être minimisé de façon à éviter des
erreurs de mesurage.
© ISO 2017 – Tous droits réservés 5
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 11554:2017(F)
Légende
D dispositif soumis au mesurage G générateur de courant alternatif à fréquence
1
réglable
PD détecteur (par exemple photodétecteur) G générateur de courant continu
2
M instrument de mesure de la puissance de sortie
C , C condensateurs de couplage
1 2
en courant alternatif de la diode laser
Figure 3 — Configuration de mesurage utilisée pour déterminer la fréquence de coupure aux
petits signaux des diodes lasers
6.2 Contrôle des impacts environnementaux
Prendre des mesures appropriées telles qu’une isolation vibratoire, mécanique et acoustique du
montage d’essai, protection contre tout rayonnement étranger, stabilisation de la température du
laboratoire et choix d’amplificateurs à faible bruit, de façon à garantir que la contribution à l’erreur
totale reste inférieure à 10 % de l’incertitude prévue. Vérifier cela en effectuant un mesurage du bruit de
fond tel que décrit dans l’Article 7, mais en veillant à ce que le faisceau laser n’atteigne pas le détecteur
(par exemple en interposant un écran dans le résonateur ou près de la sortie du laser). La valeur de
l’écart-type (faisceau laser arrêté) obtenue en effectuant une évaluation du type de celle décrite dans
l’Article 8, doit être inférieure à un dixième de la valeur obtenue en effectuant un mesurage lorsque le
faisceau laser atteint le détecteur.
6.3 Détecteurs
Le détecteur de rayonnement doit être conforme à l’IEC 61040:1990, en particulier aux Articles 3 et 4.
De plus les points suivants doivent être observés:
a) Mesureur de puissance (énergie) étalonné:
— toute dépendance vis-à-vis de la longueur d’onde, non-linéarité ou non-uniformité du détecteur
ou du dispositif électronique doivent être réduites ou corrigées au moyen d’un mode opératoire
d’étalonnage;
— le mesurage direct, c’est-à-dire celui utilisant un détecteur à surface plane sans sphère
intégrante, peut uniquement être utilisé lorsqu’il a été déterminé que le détecteur a une
sensibilité uniforme et indépendante des angles d’incidence, α, compris au moins à l’intérieur
de l’angle de divergence, Θ, du faisceau incident (voir Figure 4) et que le faisceau entier atteint
la surface sensible du détecteur. Pour le mesurage des faisceaux de grande divergence, il est
recommandé d’utiliser un détecteur à sphère intégrante pour assurer la récupération de tous
les rayonnements émis [voir 6.3 b)];
— les détecteurs utilisés pour tous les mesurages quantitatifs doivent être étalonnés et raccordés
aux étalons nationaux correspondants.
6 © ISO 2017 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 11554:2017(F)
Légende
1 détecteur plan
Θ angle de divergence du faisceau
α angle maximal acceptable
Figure 4 — Détecteur plan — Illustration des angles
b) Sphère intégrante étalonnée:
— la surface des ouvertures de la sphère doit être petite en comparaison de la surface totale de
la sphère;
— la surface intérieure de la sphère et l’écran doivent être recouverts d’un revêtement uniforme
diffusant avec une réflectance élevée (ρ > 0,9);
— les pertes totales par les orifices de la sphère doivent être inférieures à 5 %;
— si le dispositif à mesurer est monté à l’intérieur de la sphère, la surface de la sphère doit être
grande en comparaison de la surface du dispositif, de l’écran et des ouvertures;
— l’assemblage sphère-détecteur doit être étalonné et raccordé aux étalons nationaux
correspondants.
c) Détecteur à réponse temporelle:
— il doit être confirmé, à partir des données du fabricant ou par mesurage, que la grandeur
de sortie du détecteur (par exemple la tension) est linéairement dépendante de la grandeur
d’entrée (puissance du laser); toute dépendance vis-à-vis de la longueur d’onde, non-linéarité ou
non-uniformité du détecteur et des dispositifs électroniques qui lui sont associés doivent être
réduites ou corrigées au moyen d’un mode opératoire d’étalonnage;
— la largeur de bande
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.