ISO 11670:1999
(Main)Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam parameters — Beam positional stability
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam parameters — Beam positional stability
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai des paramètres des faisceaux laser — Stabilité de visée du faisceau
La présente Norme internationale définit les méthodes de détermination de la stabilité de visée du faisceau. Les méthodes d'essai données dans la présente norme sont destinées à être utilisées pour l'essai et la caractérisation des lasers.
General Information
Relations
Buy Standard
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 11670
First edition
1999-08-01
Lasers and laser-related equipment — Test
methods for laser beam parameters —
Beam positional stability
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai des
paramètres des faisceaux laser — Stabilité de visée du faisceau
A
Reference number
ISO 11670:1999(E)
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 11670:1999(E)
Contents
1 Scope .1
2 Normative references .1
3 Terms and definitions .1
4 Coordinate systems and beam axis.2
5 Test principles.4
6 Measurement arrangement, test equipment and auxiliary devices.5
7 Test procedures.6
8 Evaluation.7
9 Test report .10
© ISO 1999
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic
or mechanical, including photocopying and microfilm, without permission in writing from the publisher.
International Organization for Standardization
Case postale 56 • CH-1211 Genève 20 • Switzerland
Internet iso@iso.ch
Printed in Switzerland
ii
---------------------- Page: 2 ----------------------
© ISO
ISO 11670:1999(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.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 3.
Draft International Standards adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting.
Publication as an International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
International Standard ISO 11670 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and optical
instruments, Subcommittee SC 9, Electro-optical systems.
iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
© ISO
ISO 11670:1999(E)
Introduction
The centre of a laser beam is defined as the centroid or first-order spatial moment of the power density distribution.
The current propagation axis of a beam is then the straight line connecting two centroids measured at two different
planes simultaneously in a uniform, homogeneous medium. Beam axis instability may be characterized by
transverse displacements and angular movements that are either monotonic, periodic or stochastic in time.
It is unlikely that the movement of a laser beam will be randomly distributed and uniform in amplitude in all
directions. In general, the beam may move a greater amount in one direction. If one direction predominates, the
procedures specified in this International Standard can be used to identify that dominant direction (the beam x-axis)
and its azimuthal location relative to the axes of the laboratory system.
This International Standard provides general principles for the measurement of these quantities. In addition,
definitions of terminology and symbols to be used in referring to beam position are provided.
iv
---------------------- Page: 4 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD © ISO ISO 11670:1999(E)
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser
beam parameters — Beam positional stability
1 Scope
This International Standard defines methods for determining laser beam positional as well as angular stability. The
test methods given in this International Standard are intended to be used for testing and characterization of lasers.
2 Normative references
The following normative documents contain provisions which, through reference in this text, constitute provisions of
this International Standard. For dated references, subsequent amendments to, or revisions of, any of these
publications do not apply. However, parties to agreements based on this International Standard are encouraged to
investigate the possibility of applying the most recent editions of the normative documents indicated below. For
undated references, the latest edition of the normative document referred to applies. Members of ISO and IEC
maintain registers of currently valid International Standards.
ISO 11145:1994, Optics and optical instruments — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and symbols.
ISO 11146:1999 , Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam parameters — Beam widths,
divergence angle and beam propagation factor.
IEC 61040:1990, Power and energy measuring detectors — Instruments and equipment for laser radiation.
3 Terms and definitions
For the purposes of this International Standard, the terms and definitions found in IEC 61040, ISO 11145 and
ISO 11146 and the following apply.
3.1
angular movement
a , a ,
x y
angular movement of the laser beam in the x-z and y-z planes, respectively
NOTE These quantities are defined in the beam axis system , , . If the ratio of the quantity in the direction to that in the
x y z x
direction does not exceed 1,15:1, the quantity is regarded as rotationally symmetric and only one number may be given. The
y
symbol a without index is used in that case.
3.2
beam angular stability
da , da ,
x y
twice the standard deviation of the measured angular movement
NOTE These quantities are defined in the beam axis system x,y,z. If the ratio of the quantity in the x direction to that in the
direction does not exceed 1,15:1, the quantity is regarded as rotationally symmetric and only one number may be given. The
y
symbol da without index is used in that case.
1
---------------------- Page: 5 ----------------------
© ISO
ISO 11670:1999(E)
3.3
pivot
point of intersection of all momentary beam axes with the z-axis
NOTE The measurement of the pivot is not a subject of this International Standard, because it does not necessarily exist.
3.4
transverse displacement
a , a ,
y
x
distance of transverse displacement of the laser beam in the x- and y-directions, respectively
NOTE 1 These quantities are defined in the beam axis system x,y,z. If the ratio of the quantity in the x direction to that in the
y direction does not exceed 1,15:1, the quantity is regarded as rotationally symmetric and only one number may be given. The
symbol a without index is used in that case.
NOTE 2 The measurement of the transverse displacement is not a subject of this International Standard.
3.5
beam positional stability
D(z¢), D(z¢)
x y
maximum transverse displacement and/or angular movement of the beam away from an average, steady-state
position. The beam positional stability is determined by the movement of the centroid of the laser beam in the x¢-y¢
plane at z¢.
NOTE These quantities are defined in the beam axis system x,y,z. If the ratio of the quantity in the x direction to that in the y
direction does not exceed 1,15:1, the quantity is regarded as rotationally symmetric and only one number may be given. The
symbol D(z¢) without index is used in that case.
3.6
beam positional change from cold start
difference in beam position from the position noted immediately upon turning on a turned-off, ambient-temperature-
equilibrated laser and the position noted after that laser has operated for longer than the warm-up time
3.7
short-term stability
stability within a time interval of 1 s
3.8
medium-term stability
stability within a time interval of 1 min
3.9
long-term stability
stability within a time interval of 1 h
4 Coordinate systems and beam axis
4.1 Beam axis distribution
The distribution of the beam axes (as defined in ISO 11145) is obtained from a significant number (n > 1 000) of
measurements of the beam axis direction.
The movement of the beam axis can be described by means of the standard deviation of this beam axis distribution.
This standard deviation can be different in different directions. This means that the amplitude of the beam
movement can be greater in one dominant direction than in another, and that the distribution of beam axis
movements is not necessarily radially symmetric.
2
---------------------- Page: 6 ----------------------
© ISO
ISO 11670:1999(E)
4.2 Coordinate systems
4.2.1 General
All coordinate systems are defined as right-handed.
1 Average direction of the beam propagation axes
2 Beam axis (for one measurement)
3 Two times the standard deviation of the beam axis distribution
Figure 1 — Coordinate systems x¢,y¢,z¢ and x,y,z
4.2.2 Laboratory system
The x¢, y¢ and z¢ axes define the orthogonal space directions in the laboratory system. The origin of the z¢-axis is in a
reference (x¢-y¢)-plane defined by the laser manufacturer (e.g. the front of the laser enclosure), so that the beam
propagates approximately (less than 10° deviation) along the z¢-axis.
4.2.3 Beam axis system
A second orthogonal coordinate system, the beam axis system, is defined in the following way:
the z-axis is the average direction of the beam propagation axis (first-order spatial moment of the beam axis
distribution), which shall be determined after the laser has reached a steady state;
the x-axis is the direction of maximum amplitude of movement of the asymmetric beam axis distribution in the
far-field;
NOTE The asymmetric beam axis distribution should not be confused with the asymmetric beam power distribution
function.
the origin of the beam axis system coincides with the origin of the laboratory system.
4.2.4 Azimuth angle
The azimuth angle y is the angle by which the beam x-axis is rotated with respect to the laboratory system x¢-axis.
3
---------------------- Page: 7 ----------------------
© ISO
ISO 11670:1999(E)
4.2.5 Transformation of coordinates
The transformation of the n measured coordinates of the laboratory system (x¢,y¢,z¢) into the beam axis system (x,y,z)
shall be performed using the following equations for the translational and rotational transformations (see Figure 1,
where subscript M indicates the coordinates in the measuring plane):
a) First step (calculation of x¢ and y¢ )
M M
'
x
å i
i
= (1)
x'
M
n
y'
å i
i
y' = (2)
M
n
where i is 1 to n.
b) Second step (translation):
~
xx=-''x (3)
M
~
yy=-''y (4)
M
c) Third step (rotation around the z axis):
~
x cos()y sin()y x
æ ö æ ö æ ö
= (5)
ç ÷ ç ÷
ç ÷
~
è yø è-sin()y cos()y ø è yø
where
2
æ ö
2s~~
1
xy
ç ÷
y = arctan (6)
22
ç ÷
2 ss~~-
èxy ø
2
xx''-
()
i
å M
2 i
s~ = (7)
x
n -1
2
yy''-
()
i
å M
2 i
s~ = (8)
y
n -1
xx''--y' y'
()( )
ii
å MM
2 i
s~~ = (9)
xy
n -1
where i is 1 to n.
5 Test principles
5.1 Beam positional stability
The beam positional stability is measured directly or in the image plane of an imaging element. The movement of
the centroid of the beam is determined using a position-sensitive detector. The position of the centroid of the beam
(as measured by the first-order spatial moment of the power density distribution function in the x,y,z system)
indicates the instantaneous position of the beam axis in the laboratory x¢,y¢,z¢ system. The beam positional stability
4
---------------------- Page: 8 ----------------------
© ISO
ISO 11670:1999(E)
can be calculated from the standard deviation of the variation of the centroid position over the appropriate short,
medium or long time scale.
5.2 Beam angular stability
The beam angular stability is measured in the focal plane of a focusing element. The movement of the centroid of
the beam is determined using a position-sensitive detector. The position of the centroid of the beam (as measured
by the first-order spatial moment of the power density distribution function in the x,y,z system) indicates the
instantaneous position of the beam axis in the laboratory x¢,y¢,z¢ system. The beam angular stability can be
calculated from the standard deviation of the variation of the centroid position over the appropriate short, medium or
long time scale.
6 Measurement arrangement, test equipmen
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 11670
Première édition
1999-08-01
Lasers et équipements associés aux
lasers — Méthodes d'essai des paramètres
des faisceaux laser — Stabilité de visée du
faisceau
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam
parameters — Beam positional stability
A
Numéro de référence
ISO 11670:1999(F)
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 11670:1999(F)
Sommaire
1 Domaine d'application.1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions.1
4 Système de coordonnées et axe du faisceau .2
5 Principes d'essai.4
6 Systèmes de mesure, équipements d'essai et dispositifs auxiliaires.5
7 Modes opératoires d'essai.6
8 Évaluation.7
9 Rapport d'essai .11
© ISO 1999
Droits de reproduction réservés. Sauf prescription différente, 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 et les microfilms, sans l'accord écrit de l'éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case postale 56 • CH-1211 Genève 20 • Suisse
Internet iso@iso.ch
Imprimé en Suisse
ii
---------------------- Page: 2 ----------------------
© ISO
ISO 11670:1999(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 (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 3.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour
vote. Leur publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités
membres votants.
La Norme internationale ISO 11670 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 172, Optique et instruments
d'optique, sous-comité SC 9, Systèmes électro-optiques.
iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
©
ISO 11670:1999(F) ISO
Introduction
Le centre d'un faisceau laser est défini comme le centre ou le moment spatial d'ordre 1 de la distribution de la
densité de puissance. L'axe réel de propagation d'un faisceau est donc la droite qui relie deux centres mesurés
simultanément dans deux plans différents, dans un milieu uniforme et homogène. L'instabilité de l'axe du faisceau
peut être caractérisée par des déplacements transversaux et des mouvements angulaires qui sont soit monotones,
soit périodiques, ou stochastiques dans le temps.
Il est peu probable que le mouvement d'un faisceau laser soit distribué de manière aléatoire et que son amplitude
soit uniforme dans toutes les directions. Généralement, le faisceau peut effectuer un mouvement plus important
dans une direction. Si une direction est prédominante, les modes opératoires spécifiés dans la présente Norme
internationale peuvent être utilisés afin d'identifier cette direction dominante (l'axe des x du faisceau) et sa position
azimutale relative aux axes d'expérimentation.
La présente Norme internationale fournit des principes généraux de mesure de ces grandeurs. En outre, les
définitions des termes et abréviations à utiliser en référence à la position du faisceau sont fournis.
iv
---------------------- Page: 4 ----------------------
NORME INTERNATIONALE © ISO ISO 11670:1999(F)
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai
des paramètres des faisceaux laser — Stabilité de visée du
faisceau
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale définit les méthodes de détermination de la stabilité de visée du faisceau. Les
méthodes d'essai données dans la présente norme sont destinées à être utilisées pour l'essai et la caractérisation
des lasers.
2 Références normatives
Les documents normatifs suivants contiennent des dispositions qui, par suite de la référence qui y est faite,
constituent des dispositions valables pour la présente Norme internationale. Pour les références datées, les
amendements ultérieurs ou les révisions de ces publications ne s’appliquent pas. Toutefois, les parties prenantes
des accords fondés sur la présente Norme internationale sont invitées à rechercher la possibilité d'appliquer les
éditions les plus récentes des documents normatifs indiqués ci-après. Pour les références non datées, la dernière
édition du document normatif en référence s’applique. Les membres de la CEI et de l'ISO possèdent le registre des
Normes internationales en vigueur.
ISO 11145:1994, Optique et instruments d'optique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et
symboles.
ISO 11146:1999, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai des paramètres des faisceaux
lasers — Largeur du faisceau, angle de divergence et facteur de propagation du faisceau.
CEI 61040:1990, Détecteurs, instruments et matériels de mesurage de puissance et d'énergie des rayonnements
laser.
3 Termes et définitions
Pour les besoins de la présente Norme internationale, les termes et définitions donnés dans la CEI 61040, l'ISO
11145 et l'ISO 11146 ainsi que les termes et définitions suivants s'appliquent.
3.1
mouvement angulaire
a , a ,
x y
mouvement angulaire du faisceau laser dans les plans x-z et y-z, respectivement
NOTE Ces grandeurs sont définies dans le système lié au faisceau x, y, z. Si le rapport des grandeurs dans les directions
x et y n'excède pas 1,15:1, on considère que la grandeur est symétrique par rotation et un seul nombre peut être donné. Dans
ce cas l'indice a est alors omis.
3.2
stabilité angulaire du faisceau
da , da ,
x y
deux fois l'écart-type du mouvement angulaire mesuré
1
---------------------- Page: 5 ----------------------
© ISO
ISO 11670:1999(F)
NOTE Ces grandeurs sont définies dans le système lié au faisceau x, y, z. Si le rapport des grandeurs dans les directions
x et y n'excède pas 1,15:1, on considère que la grandeur est symétrique par rotation et un seul nombre peut être donné. Dans
ce cas l'indice da est alors omis.
3.3
pivot
point d'intersection de tous les axes momentanés du faisceau avec l'axe des z
NOTE La mesure du pivot n'est pas traitée dans la présente Norme internationale, parce que celui-ci n'existe pas
nécessairement.
3.4
déplacement transversal
a , a ,
y
x
distance de déplacement transversal du faisceau laser dans la direction des x et des y, respectivement
NOTE 1 Ces grandeurs sont définies dans le système lié au faisceau x, y, z. Si le rapport des grandeurs dans les directions
x et y n'excède pas 1,15:1, on considère que la grandeur est symétrique par rotation et un seul nombre peut être donné. Dans
ce cas l'indice a est alors omis.
NOTE 2 La mesure du déplacement transversal n'est pas traitée dans la présente Norme internationale.
3.5
stabilité de visée du faisceau
D(z¢), D(z¢)
x y
déplacement transversal maximal et/ou mouvement angulaire du faisceau éloigné d'une position moyenne stable
NOTE 1 La stabilité de visée du faisceau est déterminée par le mouvement du centre du faisceau laser dans le plan x¢ y¢ au
point z¢.
NOTE 2 Ces grandeurs sont définies dans le système lié au faisceau x, y, z. Si le rapport des grandeurs dans les directions
x et y n'excède pas 1,15:1, on considère que la grandeur est symétrique par rotation et un seul nombre peut être donné. Dans
ce cas l'indice D(z¢) est alors omis.
3.6
changement de visée du faisceau au démarrage à froid
différence entre la position du faisceau relevée immédiatement après le branchement d'un laser à l'arrêt adapté à la
température ambiante et la position relevée après que le laser a fonctionné au-delà du temps de préchauffage
3.7
stabilité à court terme
stabilité à l'intérieur d'un intervalle de 1 s
3.8
stabilité à moyen terme
stabilité à l'intérieur d'un intervalle de 1 min
3.9
stabilité à long terme
stabilité à l'intérieur d'un intervalle de 1 h
4 Système de coordonnées et axe du faisceau
4.1 Distribution des axes du faisceau
La distribution des axes du faisceau (comme définie dans l'ISO 11145) est obtenue à partir d'un nombre significatif
(n > 1 000) de mesures de la direction de l'axe du faisceau
Le mouvement de l'axe du faisceau peut être décrit par l'écart-type de cette distribution des axes du faisceau. Cet
écart-type peut être différent dans des directions différentes, ce qui signifie que l'amplitude du mouvement du
faisceau peut être plus grande dans une direction dominante et que la distribution des mouvements de l'axe du
faisceau n'est pas nécessairement de symétrie radiale.
2
---------------------- Page: 6 ----------------------
© ISO
ISO 11670:1999(F)
4.2 Systèmes de coordonnées
4.2.1 Généralités
Tous les systèmes de coordonnées sont définis par la règle de la main droite.
Légende
1 Direction moyenne des axes de propagation du faisceau
2 Axe du faisceau (pour une mesure)
3 Deux fois l'écart-type de la distribution des axes du faisceau
Figure 1 — Systèmes de coordonnées x¢,y¢,z et x,y,z
4.2.2 Système de laboratoire
Les axes des x¢, y¢ et z¢ définissent les directions spatiales orthogonales dans le système lié au laboratoire. L'origine
de l'axe des z¢ est définie, dans un plan (x¢-y¢) de référence, par le fabricant du laser (par exemple le panneau avant
de l'enceinte du laser) de sorte que le faisceau se propage de manière approximative (moins de 10°) le long de
l'axe des z¢.
4.2.3 Système des axes du faisceau
Un second système de coordonnées orthogonales, le système lié au faisceau, est défini de la manière suivante:
l'axe des z représente la direction moyenne de l'axe de propagation du faisceau (moment spatial d'ordre 1 de la
distribution des axes du faisceau) qui doit être déterminée lorsque le laser a atteint un état d'équilibre;
l'axe des x représente la direction de l'amplitude maximale du mouvement de la distribution asymétrique des
axes du faisceau en champ lointain;
NOTE Ne pas confondre la distribution asymétrique des axes du faisceau avec la fonction de distribution asymétrique de
la puissance du faisceau.
l'origine du système lié au faisceau coïncide avec celle du système lié au laboratoire.
4.2.4 Angle azimutal
L'angle azimutal y est l'angle repérant la rotation de l'axe des x du faisceau effectuée par rapport à l'axe des x¢ du
système lié au laboratoire.
3
---------------------- Page: 7 ----------------------
© ISO
ISO 11670:1999(F)
4.2.5 Transformation des coordonnées
(x¢, y¢, z¢)
La transformation des n coordonnées mesurées du système lié au laboratoire vers le système lié au
(x, y, z)
faisceau doit être effectuée au moyen des équations suivantes pour les transformations de déplacement
linéaire et de rotation (voir figure 1, l'indice M est utilisé pour indiquer les coordonnées dans le plan de mesure):
a) Première étape (calcul de x¢ et y¢ )
M M
x '
∑ i
i
' = (1)
x
M
n
y '
∑ i
i
' = (2)
y
M
n
où i = 1 à n.
b) Seconde étape (déplacement linéaire):
~
xx=-''x (3)
M
~
yy=-''y (4)
M
c) Troisième étape (rotation autour de l'axe des z):
~
x
cos()yysin() x
= (5)
~
yŁłŁ-sin()yycosł()Łył
où
2
æ ö
2s~~
1 xy
ç ÷
y = arctan (6)
22
ç ÷
2
ss~~-
èxy ø
2
xx''
()-i M
∑
i
2
s ~ = (7)
x
-1
n
2
yy''
()-i M
∑
i
2
s ~ = (8)
y
n-1
xx''--y' y'
()( )
iiMM
∑
i
2
s ~~ = (9)
xy
n-1
où i = 1 à n.
5 Principes d'essai
5.1 Stabilité de visée du faisceau
La stabilité de visée du faisceau est mesurée directement, ou dans le plan image d'un élément imageur. Le
mouvement du centre du faisceau est déterminé grâce à un détecteur de position. La position du centre du faisceau
(déterminée par le moment spatial d'ordre 1 de la fonction de distribution de la densité de puissance dans le
4
---------------------- Page: 8 ----------------------
© ISO
ISO 11670:1999(F)
système ) indique la position instantanée de l'axe du faisceau dans le système lié au laboratoire ¢ ¢ ¢. La
x, y, z x , y , z
stabilité de visée du faisceau peut être calculée à partir de l'écart-type de la variation de la position du centre sur
une échelle appropriée à court, moyen ou long terme.
5.2 Stabilité angulaire du faisceau
La stabilité angulaire du faisceau est mesurée dans le plan focal d'un élément de focalisation. Le mouvement du
centre du faisceau est déterminé grâce à un détecteur de position. La position du centre du faisceau (comme
déterminée par le moment spatial d'ordre 1 de la fonction de distribution de la densité de puissance dans le
système x, y, z) indique la position instantanée de l'axe du faisceau dans le système lié au laboratoire x¢, y¢, z¢. La
stabilité angulaire du faisceau peut être calculée à partir de l'écart-type de la variation de la position du centre sur
une échelle appropriée à court, moyen ou long terme.
6 Systèmes de mesure, équipements d'essai et dispositifs auxiliaires
6.1 Préparation
Il convient que le faisceau laser et l'axe optique du système de mesure soient coaxiaux. Des dispositifs
d'alignement optique appropriés permettent d'atteindre cette coaxialité.
Le c
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.