ISO 11146-1:2005
(Main)Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios — Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios — Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams
ISO 11146-1:2005 specifies methods for measuring beam widths (diameter), divergence angles and beam propagation ratios of laser beams. ISO 11146-1:2005 is only applicable for stigmatic and simple astigmatic beams. If the type of the beam is unknown and for general astigmatic beams ISO 11146-2 is applicable.
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai des largeurs du faisceau, angles de divergence et facteurs de limite de diffraction — Partie 1: Faisceaux stigmatiques et astigmatiques simples
L'ISO 11146-1:2005 spécifie les méthodes pour mesurer les largeurs (diamètres) du faisceau, les angles de divergence et les facteurs de propagation des faisceaux laser. L'ISO 11146-1:2005 s'applique uniquement aux faisceaux stigmatiques et astigmatiques simples. Si le type de faisceau est inconnu et pour les faisceaux astigmatiques généraux, il convient d'appliquer l'ISO 11146-2.
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МЕЖДУНАРОДНЫЙ ISO
СТАНДАРТ 11146-1
Первое издание
2005-01-15
Лазеры и связанное с ними
оборудование. Методы испытаний для
определения ширины лазерного пучка,
углов расхождения и коэффициентов
распространения пучка.
Часть 1.
Стигматические и простые
астигматические пучки
Lasers and laser-related equipment – Test methods for laser beam
widths, divergence angles and beam propagation ratios —
Part 1. Stigmatic and simple astigmatic beams
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(Российская Федерация) в соответствии со статьёй 18.1 Устава ISO
Ссылочный номер
ISO 11146-1:2005(R)
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Опубликовано в Швейцарии
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ISO 11146-1:2005(R)
Содержание Страница
Предисловие .iv
Введение .v
1 Область применения .1
2 Нормативные ссылки .1
3 Термины и определения .1
4 Системы координат .6
5 Принципы проведения испытаний .7
5.1 Применимость.7
5.2 Ширина пучка и диаметр пучка.7
5.3 Углы расхождения пучка.7
5.4 Коэффициенты распространения пучка.7
5.5 Комбинированные измерения положений перетяжки пучка, значений ширины пучка,
углов расхождения пучка и коэффициентов его распространения .7
6 Схема измерений и испытательная аппаратура .8
6.1 Общие положения .8
6.2 Подготовка.8
6.3 Контроль внешних условий .8
6.4 Система детекторов.8
6.5 Оптика, формирующая пучок, и оптические аттенюаторы.9
6.6 Фокусирующая система .9
7 Измерения ширины и диаметра пучка .9
7.1 Методика испытаний .9
7.2 Оценивание.9
8 Измерение углов расхождения.11
8.1 Методика испытаний .11
8.2 Оценивание.12
9 Комбинированные измерения положений перетяжки пучка, ширины пучка, углов
расхождения пучка и коэффициентов его распространения.12
10 Протокол испытания.14
Библиография.18
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ISO 11146-1:2005(R)
Предисловие
Международная организация по стандартизации (ISO) является всемирной федерацией национальных
организаций по стандартизации (комитетов-членов ISO). Разработка международных стандартов
обычно осуществляется техническими комитетами ISO. Каждый комитет-член, заинтересованный в
деятельности, для которой был создан технический комитет, имеет право быть представленным в этом
комитете. Международные государственные и негосударственные организации, имеющие связи с ISO,
также принимают участие в работах. Что касается стандартизации в области электротехники, то ISO
работает в тесном сотрудничестве с Международной электротехнической комиссией (IEC).
Проекты международных стандартов разрабатываются в соответствии с правилами, установленными в
Директивах ISO/IEC, Часть 2.
Основная задача технических комитетов заключается в подготовке международных стандартов.
Проекты международных стандартов, принятые техническими комитетами, рассылаются комитетам-
членам на голосование. Их опубликование в качестве международных стандартов требует одобрения
не менее 75 % комитетов-членов, принимающих участие в голосовании.
Международный стандарт ISO 11146-1 подготовлен Техническим комитетом ISO/TC 172, Оптика и
фотоника, Подкомитетом SC 9, Электрооптические системы.
Настоящее первое издание международного стандарта ISO 11146-1 вместе с документом
ISO/TR 11146:1999 отменяет и заменяет международный стандарт ISO 11146:1999, который был
технически пересмотрен и дополнен.
Международный стандарт 11146 состоит из следующих частей под общим названием Лазеры и
связанное с ними оборудование. Методы испытаний для определения ширины лазерного пучка,
углов расхождения и коэффициентов распространения пучка:
− Часть 1. Стигматические и простые астигматические пучки
− Часть 2. Общие астигматические пучки
− Часть 3. Классификация, распространение и подробности методов испытания лазерного пучка
по внутренним и геометрическим параметрам (Технический отчет)
iv © ISO 2005 – Все права сохраняются
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ISO 11146-1:2005(R)
Введение
Характеристики распространения каждого лазерного пучка могут быть определены методом моментов
второго порядка с использованием десяти независимых параметров (см. документ ISO/TR 11146-3).
Однако благодаря более высокой симметрии большинства лазерных пучков, представляющих
практический интерес, для их описания требуется меньшее число параметров. На практике
большинство лазеров излучают стигматические или простые астигматические пучки, что связано с
конструкцией их резонаторов.
В настоящей части международного стандарта ISO 11146 описываются методы измерений
стигматических и простых астигматических пучков, тогда как в части 2 этого стандарта
рассматриваются методы измерений общих астигматических пучков. В случаях, когда тип пучков
неизвестен, должны применяться методы части 2. Определение характеристик пучка методом
моментов второго порядка, как описано в обеих частях настоящего стандарта, обосновано только в
параксиальном приближении.
Теоретическое описание характеристик и распространения пучка, а также классификация лазерных
пучков представлены в документе ISO/TR 11146-3, являющимся информативным Техническим отчетом
и описывающим методы вычитания фона и коррекции смещения.
В настоящей части международного стандарта ISO 11146 для определения значений ширины пучков
используются моменты второго порядка распределения плотности мощности (энергии). Однако при
непосредственном измерении этих величин в пучках некоторых источников лазерного излучения могут
возникать трудности. В этом случае до тех пор, пока получаются сравнимые результаты, могут быть
использованы другие косвенные методы измерения моментов второго порядка.
В документе ISO/TR 11146-3 описываются три альтернативных метода измерения ширины пучка и их
связь с методом, используемым в настоящей части международного стандарта ISO 11146. К таким
методам относятся:
− метод переменной апертуры;
− метод подвижной опорной призмы;
− метод подвижной щели.
Проблема зависимости результатов измерения от пределов усечения области интегрирования была
исследована и оценена путем проведения в 1997 году международного циклического эксперимента.
При подготовке настоящего документа учитывались результаты этого эксперимента.
Международная организация по стандартизации (ISO) обращает внимание на заявление, что
соответствие настоящему документу может включать использование патента, касающегося
определения характеристик пучка путем измерения вдоль каустической поверхности пучка,
преобразованного линзами, как описано в 5.5.
ISO не сформулировало своей позиции в отношении подтверждения, юридической силы и применения
этих патентных прав.
Владелец указанных патентных прав (U.S. No. 5,267,012) уверяет ISO, что он готов на разумных и
справедливых условиям переуступить лицензии всем, кто обратится к нему с этой просьбой. Это
заявление владельца патентных прав зарегистрировано ISO. Соответствующую информацию можно
получить по адресу:
Coherent Inc.
5100 Patrick Henry Drive
Santa Clara, CA 95056-0980
USA
Следует иметь в виду, что некоторые элементы настоящего документа могут быть объектом патентного права.
ISO не может нести ответственность за идентификацию какого-либо одного или всех патентных прав.
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МЕЖДУНАРОДНЫЙ СТАНДАРТ ISO 11146-1:2005(R)
Лазеры и связанное с ними оборудование. Методы
испытаний для определения ширины лазерного пучка,
углов расхождения и коэффициентов распространения
пучка.
Часть 1.
Стигматические и простые астигматические пучки
1 Область применения
В настоящей части ISO 11146 описываются методы измерения ширины (диаметра) пучка, углов
расхождения и коэффициента распространения лазерных пучков. Настоящая часть ISO 11146
распространяется только на стигматические и простые астигматические пучки. Если тип пучка
неизвестен, а также в случае общих астигматических пучков следует применять ISO 11146-2.
2 Нормативные ссылки
Следующие ссылочные документы являются обязательными при применении данного документа. Для
жестких ссылок применяется только цитированное издание документа. Для плавающих ссылок
необходимо использовать самое последнее издание нормативного ссылочного документа (включая
любые изменения).
ISO 11145, Оптика и оптические приборы. Лазеры и связанное с ними оборудование. Словарь и
условные обозначения
ISO 11146-2, Лазеры и связанное с ними оборудование. Методы испытаний для определения ширины
лазерного пучка, углов расхождения и коэффициентов распространения пучка. Часть 2. Общие
астигматические лучи
ISO 13694, Оптика и оптические приборы. Лазеры и лазерное оборудование. Методы определения
распределения плотности мощности (энергии) лазерного пучка
IEC 61040:1990, Детекторы, контрольно-измерительные приборы и оборудование для измерения
мощности и энергии лазерного излучения
3 Термины и определения
В настоящем документе используются термины и определения, установленные в международных
стандартах ISO 11145, ISO 13694, IEC 61040, а также термины и определения, установленные ниже.
ПРИМЕЧАНИЕ В представленных определениях оси x, y и z относятся к лабораторной системе координат,
описанной в Разделе 4. Здесь и далее во всем документе термин "распределение плотности мощности Е(x,y,z)"
относится к источникам незатухающих колебаний. В случае импульсных источников этот термин может быть
заменен термином "распределение плотности энергии H(x,y,z)".
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ISO 11146-1:2005(R)
3.1
моменты первого порядка распределения плотности мощности
first order moments of power density distribution
x,y
координаты центра тяжести распределения плотности мощности в поперечном сечении пучка,
определяемые как
∞∞
Ex(,y,z)x dx dy
∫∫
−∞ −∞
xz()= (1)
∞∞
Ex(,y,z)dx dy
∫∫
−∞ −∞
и
∞∞
Ex(,y,z)y dx dy
∫∫
−∞ −∞
yz()= (2)
∞∞
Ex(,y,z)dx dy
∫∫
−∞ −∞
ПРИМЕЧАНИЕ Для практических применений бесконечные пределы интегрирования усекаются определенным
способом, приведенным в Разделе 7.
3.2
моменты второго порядка распределения плотности мощности
second order moments of power density distribution
222
σ,,σσ
x yxy
нормированные взвешенные интегралы распределения плотности мощности, определяемые как
∞∞
2
Ex(,y,z)(x−x) dx dy
∫∫
−∞ −∞
22
σ ()zx== (3)
x
∞∞
Ex(,y,z)dx dy
∫∫
−∞ −∞
и
∞∞
2
Ex(,y,z)(y−y) dx dy
∫∫
−∞ −∞
22
σ ()zy== (4)
y
∞∞
Ex(,y,z)dx dy
∫∫
−∞ −∞
и
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ISO 11146-1:2005(R)
∞∞
Ex(,y,z)(x−−x)(y y)dx dy
∫∫
−∞ −∞
2
σ ()zx==y (5)
xy
∞∞
Ex(,y,z)dx dy
∫∫
−∞ −∞
ПРИМЕЧАНИЕ 1 Для практических применений бесконечные пределы интегрирования усекаются определенным
способом, приведенным в Разделе 7.
2
ПРИМЕЧАНИЕ 2 σ - символическое обозначение, а не истинный квадрат. Эта величина может принимать
xy
положительное, отрицательное или нулевое значение.
ПРИМЕЧАНИЕ 3 Угловые скобки – обозначения операторов, используемые в международном стандарте
ISO 11146-1 и ISO/TR 11146-3.
3.3
главные оси распределения плотности мощности
principal axes of a power density distribution
оси максимальной и минимальной протяженности пучка, определяемые на основе центрированных
моментов второго порядка распределения плотности мощности в поперечном сечении пучка
ПРИМЕЧАНИЕ Оси максимальной и минимальной протяженности пучка всегда перпендикулярны друг к другу.
3.4
ориентация распределения плотности мощности
orientation of a power density distribution
ϕ
угол между осью х лабораторной системы координат и главной осью распределения плотности
мощности, которая располагается ближе к оси х
ПРИМЕЧАНИЕ Из этого определения следует, что -π/4 < ϕ < π/4 для |ϕ| ≠ π/4; ϕ определяется как угол между
осью х и главной осью (осью максимальной протяженности пучка) распределения плотности мощности.
3.5
ширины пучка
beam widths
d , d
σx σy
протяженность распределения плотности мощности в поперечном сечении пучка в осевом положении
z, вдоль главной оси, которая располагается ближе к оси x или оси y лабораторной системы координат,
определяемая на основе центрированных моментов второго порядка распределения плотности
мощности
ПРИМЕЧАНИЕ 1 Если главные оси образуют с осями х и y лабораторной системы координат угол π/4, тогда d
x
σ
является по соглашению большей шириной пучка.
ПРИМЕЧАНИЕ 2 Это определение отличается от определения, данного в международном стандарте
ISO 11145:2001, п. 3.5.2, в котором значения ширины пучка определяются только в лабораторной системе
координат, тогда как для целей настоящей части ISO 11146 значения ширины пучка определяются в системе
координат главных осей.
3.6
эллиптичность распределения плотности мощности
ellipticity of a power density distribution
ε
отношение минимальной ширины пучка к максимальной ширине пучка
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ISO 11146-1:2005(R)
3.7
круговое распределение плотности мощности
circular power density distribution
распределение плотности мощности, эллиптичность которого составляет более чем 0,87
3.8
диаметр пучка
beam diameter
d
σ
протяженность кругового распределения плотности мощности, определяемая на основе моментов
второго порядка
3.9
стигматизм
stigmatism
характеристика пучка с круговым распределением плотности мощности в любой плоскости при
свободном распространении, определяющая распределения плотности мощности после прохождения
через цилиндрическую линзу, имеющие такую же или азимутальную ориентацию, как и ориентация
линзы
3.10
простой астигматизм
simple astigmatism
характеристика нестигматического пучка, полярный угол которого определяет постоянную ориентацию
при свободном распространении, сохраняющего свою исходную ориентацию после прохождения через
цилиндрический оптический элемент, цилиндрическая ось которого параллельна главным осям пучка
ПРИМЕЧАНИЕ Главные оси распределения плотности мощности, соответствующие пучку с простым
астигматизмом, называются главными осями этого пучка.
3.11
общий астигматизм
general astigmatism
характеристика пучка, не являющегося стигматическим или простым астигматическим пучком
ПРИМЕЧАНИЕ В настоящей части международного стандарта ISO 11146 рассматриваются только
стигматические и простые астигматические пучки. Что касается общих астигматических пучков, см.
международный стандарт ISO 11146-2.
3.12
положения перетяжки пучка
beam waist locations
z , z , z
0x 0y 0
положения относительно плоскости отсчета z = 0, в которых значения ширины пучка или диаметр пучка
достигают своих минимальных значений вдоль оси распространения
См. Рисунок 1.
ПРИМЕЧАНИЕ 1 В случае общих астигматических пучков, которые не рассматриваются в настоящей части
международного стандарта, это определение не применяется.
ПРИМЕЧАНИЕ 2 Для простых астигматических пучков положения перетяжки, z и z , соответствующие главным
0x 0y
осям, могут совпадать, но могут и не совпадать.
3.13
значения ширины перетяжки пучка
beam waist widths
d , d
σx0 σy0
значения ширины пучка в положениях перетяжки простого астигматического пучка
4 © ISO 2005 – Все права сохраняются
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ISO 11146-1:2005(R)
ПРИМЕЧАНИЕ d – ширина пучка d в положении z , d – ширина пучка d в положении z .
x0 x 0x y0 y 0y
σ σ σ σ
3.14
диаметр перетяжки пучка
beam waist diameter
d
σ0
диаметр пучка в положении перетяжки стигматического пучка
Рисунок 1 — Параметры распространения простого астигматического пучка
3.15
углы расхождения пучка
beam divergence angles
Θ , Θ , Θ
σx σy σ
мера увеличения ширины пучка или диаметра пучка при увеличении расстояния от положений
перетяжки пучка, определяемая по формуле:
dz()
σx
Θ = lim (6)
σx
()zz−→∞zz−
0x 0x
и
dz()
σ y
Θ = lim (7)
σy
()zz−→∞zz−
0y
0y
для простых астигматических пучков и
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ISO 11146-1:2005(R)
dz()
σ
Θ = lim (8)
σ
()zz−→∞zz−
0 0
для стигматических пучков
ПРИМЕЧАНИЕ 1 Расхождение пучка выражается как полный угол.
ПРИМЕЧАНИЕ 2 Данное определение отличается от определения, приведенного в международном стандарте
ISO 11145:2001, 3.18.2, в котором углы расхождения пучка определяются только в лабораторной системе
координат, тогда как для целей настоящей части международного стандарта ISO 11146 углы расхождения пучка
определяются в системе главных осей.
3.16
коэффициенты распространения пучка
beam propagation ratios
ПРИМЕЧАНИЕ 1 Термин "коэффициент распространения пучка" заменяет термин "коэффициент временного
дифракционного предела", который использовался в международном стандарте ISO 11146:1999.
ПРИМЕЧАНИЕ 2 Коэффициенты распространения пучка, определяемые в 3.16.1 и 3.16.2, являются
инвариантами распространения стигматических и простых астигматических пучков только до тех пор, пока
используемая оптика не изменяет стигматический или простой астигматический характер пучка.
3.16.1
коэффициенты распространения пучка
beam propagation ratios
2 2
М и М
х y
〈простые астигматические пучки〉 отношения произведения параметров пучка вдоль его главных осей к
произведению параметров диффракционно – ограниченного идеального гауссовского пучка той же
длины волны λ
d
π θ
2
...
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 11146-1
First edition
2005-01-15
Lasers and laser-related equipment —
Test methods for laser beam widths,
divergence angles and beam propagation
ratios —
Part 1:
Stigmatic and simple astigmatic beams
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai
des largeurs du faisceau, angles de divergence et facteurs de limite
de diffraction —
Partie 1: Faisceaux stigmatiques et astigmatiques simples
Reference number
ISO 11146-1:2005(E)
©
ISO 2005
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ISO 11146-1:2005(E)
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ISO's member body in the country of the requester.
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Fax + 41 22 749 09 47
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ii © ISO 2005 – All rights reserved
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ISO 11146-1:2005(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope. 1
2 Normative references. 1
3 Terms and definitions. 1
4 Coordinate systems. 6
5 Test principles. 6
5.1 Applicability. 6
5.2 Beam widths and beam diameter . 6
5.3 Beam divergence angles. 6
5.4 Beam propagation ratios. 6
5.5 Combined measurement of beam waist locations, beam widths, beam divergence angles
and beam propagation ratios. 7
6 Measurement arrangement and test equipment. 7
6.1 General. 7
6.2 Preparation. 7
6.3 Control of environment . 7
6.4 Detector system. 7
6.5 Beam-forming optics and optical attenuators . 8
6.6 Focusing system. 8
7 Beam widths and beam diameter measurement. 8
7.1 Test procedure. 8
7.2 Evaluation. 8
8 Measurement of divergence angles . 10
8.1 Test procedure. 10
8.2 Evaluation. 10
9 Combined determination of beam waist locations, beam widths, divergence angles and
beam propagation ratios . 11
10 Test report. 13
Bibliography . 16
© ISO 2005 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 11146-1:2005(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 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. 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.
ISO 11146-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee SC 9,
Electro-optical systems.
This first edition of ISO 11146-1, together with ISO/TR 11146-3 cancels and replaces ISO 11146:1999, the
contents of which have been technically revised and augmented.
ISO 11146 consists of the following parts, under the general title Lasers and laser-related equipment — Test
methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios:
Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams
Part 2: General astigmatic beams
Part 3: Intrinsic and geometrical laser beam classification, propagation and details of test methods
(Technical Report)
iv © ISO 2005 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 11146-1:2005(E)
Introduction
The propagation properties of every laser beam can be characterized within the method of second order
moments by ten independent parameters (see ISO/TR 11146-3). However, due to their higher symmetry most
laser beams of practical interest need fewer parameters for a complete description. Most lasers of practical
use emit beams which are stigmatic or simple astigmatic because of their resonator design.
This part of ISO 11146 describes the measurement methods for stigmatic and simple astigmatic beams while
Part 2 deals with the measurement procedures for general astigmatic beams. For beams of unknown type the
methods of Part 2 shall be applied. Beam characterization based on the method of second order moments as
described in both parts is only valid within the paraxial approximation.
The theoretical description of beam characterization and propagation as well as the classification of laser
beams is given in ISO/TR 11146-3, which is an informative Technical Report and describes the procedures for
background subtraction and offset correction.
In this part of ISO 11146, the second order moments of the power (energy) density distribution are used for
the determination of beam widths. However, there may be problems experienced in the direct measurement of
these quantities in the beams from some laser sources. In this case, other indirect methods of the
measurement of the second order moments may be used as long as comparable results are achievable.
In ISO/TR 11146-3, three alternative methods for beam width measurement and their correlation with the
method used in this part of ISO 11146 are described. These methods are:
variable aperture method;
moving knife-edge method;
moving slit method.
The problem of the dependence of the measuring result on the truncation limits of the integration area has
been investigated and evaluated by an international round robin experiment carried out in 1997. The results of
this round robin testing were taken into consideration during the preparation of this document.
The International Organization for Standardization (ISO) draws attention to the fact that it is claimed that
compliance with this document may involve the use of a patent concerning the determination of beam
characteristics by measuring along the beam caustic of the transformed beam produced by a lens as
described in 5.5.
ISO takes no position concerning the evidence, validity and scope of this patent right.
The holder of this patent right (U.S. No. 5,267,012) has assured ISO that he is willing to negotiate licences
under reasonable and non-discriminatory terms and conditions with applicants throughout the world.
In this respect, the statement of the holder of this patent right is registered with the ISO. Information may be
obtained from:
Coherent Inc.
5100 Patrick Henry Drive
Santa Clara, CA 95056-0980
USA
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights other than those identified above. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent
rights.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 11146-1:2005(E)
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser
beam widths, divergence angles and beam propagation
ratios —
Part 1:
Stigmatic and simple astigmatic beams
1 Scope
This part of ISO 11146 specifies methods for measuring beam widths (diameter), divergence angles and
beam propagation ratios of laser beams. This part of ISO 11146 is only applicable for stigmatic and simple
astigmatic beams. If the type of the beam is unknown, and for general astigmatic beams, ISO 11146-2 should
be applied.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application 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 optical instruments — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and symbols
ISO 11146-2, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam widths, divergence angles
and beam propagation ratios — Part 2: General astigmatic beams
ISO 13694, Optics and optical instruments — Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser
beam power (energy) density distribution
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 13694, IEC 61040 and
the following apply.
NOTE The x-, y- and z-axes in these definitions refer to the laboratory system as described in Clause 4. Here and
throughout this document the term “power density distribution E(x,y,z)” refers to continuous wave sources. It might be
replaced by “energy density distribution H(x,y,z)” in case of pulsed sources.
3.1
first order moments of a power density distribution
xy,
centroid coordinates of the power density distribution of a cross section of a beam given as
∞∞
E(,xy,z)xxyd d
∫∫
−∞ −∞
xz() = (1)
∞∞
E(,xy,z)dx dy
∫∫
−∞ −∞
© ISO 2005 – All rights reserved 1
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ISO 11146-1:2005(E)
and
∞∞
E(,xy,z)y dx dy
∫∫
−∞ −∞
yz() = (2)
∞∞
E(,xy,z)dx dy
∫∫
−∞ −∞
NOTE For practical application, the infinite integration limits are reduced in a specific manner as given in Clause 7.
3.2
second order moments of a power density distribution
22 2
σ,,σσ
x yxy
normalized weighted integrals over the power density distribution, given as
∞∞
2
E(,xy,z)(x −x) dx dy
∫∫
−∞ −∞
22
σ ()zx== (3)
x
∞∞
Ex(,y,z)dx dy
∫∫
−∞ −∞
and
∞∞
2
E(,xy,z)(y −y) dx dy
∫∫
−∞ −∞
22
σ ()zy== (4)
y
∞∞
Ex(,y,z)dx dy
∫∫
−∞ −∞
and
∞∞
E(,xy,z)(x−−x)(yyx)d dy
∫∫
−∞ −∞
2
σ ()zx==y (5)
xy
∞∞
Ex(,y,z)dx dy
∫∫
−∞ −∞
NOTE 1 For practical application, the infinite integration limits are reduced in a specific manner as given in Clause 7.
2
NOTE 2 σ z is a symbolic notation, and not a true square. This quantity can take positive, negative or zero value.
()
xy
NOTE 3 The angular brackets are the operator notations as used in ISO 11146-2 and ISO/TR 11146-3.
3.3
principal axes of a power density distribution
axes of the maximum and minimum beam extent based on the centered second order moments of the power
density distribution in a cross section of the beam
NOTE The axes of maximum and minimum extent are always perpendicular to each other.
2 © ISO 2005 – All rights reserved
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ISO 11146-1:2005(E)
3.4
orientation of a power density distribution
ϕ
angle between the x-axis of the laboratory system and that of the principal axis of the power density
distribution which is closer to the x-axis
NOTE From this definition it follows that −<πϕ4 < π 4 for ϕ ≠ π 4 ; if ϕ=±π 4 , ϕ is defined as the angle
between the x-axis and the major principal axis (axis of maximum extent) of the power density distribution.
3.5
beam widths
dd,
σx σy
extent of a power density distribution in a cross section of the beam at an axial location z along that principal
axis which is closer to the x- or y-axis of the laboratory coordinate system, respectively, based on the centered
second order moments of the power density distribution
NOTE 1 If the principal axes make the angle π/4 with the x- and y-axes of the laboratory coordinate system, then d is
σx
by convention the larger beam width.
NOTE 2 This definition differs from that given in ISO 11145:2001, subclause 3.5.2, where the beam widths are defined
only in the laboratory system, whereas for the purposes of this part of ISO 11146 the beam widths are defined in the
principal axes system.
3.6
ellipticity of a power density distribution
ε
ratio between the minimum and maximum beam widths
3.7
circular power density distribution
power density distribution having an ellipticity greater than 0,87
3.8
beam diameter
d
σ
extent of a circular power density distribution, based on the second order moments
3.9
stigmatism
property of a beam having circular power density distributions in any plane under free propagation and
showing power density distributions after propagation through a cylindrical lens all having the same or
azimuthal orientation as that lens
3.10
simple astigmatism
property of a non-stigmatic beam whose azimuth angle shows a constant orientation under free propagation,
and which retains its original orientation after passing through a cylindrical optical element whose cylindrical
axis is parallel to one of the principal axes of the beam
NOTE The principal axes of a power density distribution corresponding to a beam with simple astigmatism are called
the principal axes of that beam.
3.11
general astigmatism
property of a beam which is neither stigmatic nor simple astigmatic
NOTE This part of ISO 11146 deals only with stigmatic and simple astigmatic beams. Refer to ISO 11146-2 for
general astigmatic beams.
© ISO 2005 – All rights reserved 3
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ISO 11146-1:2005(E)
3.12
beam waist locations
z , , zz
00xy 0
positions from z = 0 reference plane where the beam widths or the beam diameter reach their minimum values
along the axis of propagation
See Figure 1.
NOTE 1 In the case of general astigmatic beams, which are outside the scope of this part of the standard, this
definition does not apply.
NOTE 2 For simple astigmatic beams the waist locations z and z corresponding to the principal axes, may or
0x 0y
may not coincide.
3.13
beam waist widths
dd,
σx00σy
beam widths at the beam waist locations of a simple astigmatic beam
NOTE d is the beam width d at location zd, is the beam width d at location z .
σx0 σx 00x σy σy 0y
3.14
beam waist diameter
d
σ0
beam diameter at the beam waist location of a stigmatic beam
Figure 1 — Beam propagation parameters of a simple astigmatic beam
4 © ISO 2005 – All rights reserved
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ISO 11146-1:2005(E)
3.15
beam divergence angles
ΘΘ, , Θ
σx σy σ
measure for the increase of the beam widths or beam diameter with increasing distance from the beam waist
locations, given by
dz()
σx
Θ = lim (6)
σx
()zz−→∞ z − z
0x 0x
and
dz()
σ y
Θ = lim (7)
σy
()zz−→∞ z − z
0y 0y
for simple astigmatic beams and
dz()
σ
Θ = lim (8)
σ
()zz−→∞ z − z
0 0
for stigmatic beams
NOTE 1 The beam divergence is expressed as a full angle.
NOTE 2 This definition differs from that given in ISO 11145:2001, subclause 3.18.2, where the beam divergence
angles are defined only in the laboratory system, whereas for the purposes of this part of ISO 11146 the beam divergence
angles are defined in the principal axes system.
3.16 beam propagation ratios
NOTE 1 The term “beam propagation ratio” replaces “times-diffraction-limit factor” which was used in ISO 11146:1999.
NOTE 2 Beam propagation ratios, as defined in 3.16.1 and 3.16.2, are propagation invariants for stigmatic and simple
astigmatic beams, only as long as the optics involved do not change the stigmatic or the simple astigmatic character of the
beam.
3.16.1
beam propagation ratios
2
2
and
M M
x y
〈simple astigmatic beams〉 ratios of the beam parameter product along the principal axes of the beam of
interest to the beam parameter product of a diffraction-limited, perfect Gaussian beam of the same
wavelength λ
2
π d Θ
σx0 σx
M = (9)
x
λ 4
d Θ
2
π
σyy0 σ
M = (10)
y
λ 4
3.16.2
beam propagation ratio
2
M
〈stigmatic beams〉 ratio of the beam parameter product of the beam of interest to the beam parameter product
of a diffr
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 11146-1
Première édition
2005-01-15
Lasers et équipements associés aux
lasers — Méthodes d'essai des largeurs
du faisceau, angles de divergence et
facteurs de limite de diffraction —
Partie 1:
Faisceaux stigmatiques et astigmatiques
simples
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam
widths, divergence angles and beam propagation ratios —
Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams
Numéro de référence
ISO 11146-1:2005(F)
©
ISO 2005
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ISO 11146-1:2005(F)
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peut être imprimé ou visualisé, mais ne doit pas être modifié à moins que l'ordinateur employé à cet effet ne bénéficie d'une licence
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Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax. + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2005 – Tous droits réservés
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ISO 11146-1:2005(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives. 1
3 Termes et définitions. 1
4 Systèmes de coordonnées . 6
5 Principes de l'essai. 6
5.1 Applicabilité. 6
5.2 Largeurs du faisceau et diamètre du faisceau. 6
5.3 Angles de divergence du faisceau. 6
5.4 Facteur de limite de diffraction. 7
5.5 Mesurage combiné des positions du col, des largeurs, des angles de divergence et
des facteurs de limite de diffraction . 7
6 Installation de mesure et équipement d'essai . 7
6.1 Généralités. 7
6.2 Préparation . 7
6.3 Contrôle de l'environnement . 7
6.4 Système de détection . 8
6.5 Optique de formation du faisceau et atténuateurs optiques. 8
6.6 Système de focalisation . 9
7 Mesurage des largeurs et du diamètre du faisceau . 9
7.1 Procédure d'essai . 9
7.2 Évaluation . 9
8 Mesurage des angles de divergence du faisceau . 11
8.1 Mode opératoire d'essai . 11
8.2 Évaluation . 11
9 Mesurage combiné des positions du col, des largeurs, des angles de divergence et des
facteurs de limite de diffraction. 11
10 Rapport d'essai . 13
Bibliographie . 16
© ISO 2005 – Tous droits réservés iii
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ISO 11146-1:2005(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 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. 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.
L'ISO 11146-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-comité SC 9,
Systèmes électro-optiques.
Cette première édition de l'ISO 11146-1, avec l'ISO/TR 11146-3, annule et remplace l'ISO 11146:1999, qui a
fait l'objet d'une révision technique et a été augmentée.
L'ISO 11146 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Lasers et équipements associés
aux lasers — Méthodes d'essai des largeurs du faisceau, angles de divergence et facteurs de limite de
diffraction:
Partie 1: Faisceaux stigmatiques et astigmatiques simples
Partie 2: Faisceaux astigmatiques généraux
Partie 3: Classification intrinsèque et géométrique du faisceau laser, propagation et détails des méthodes
d'essai (Rapport technique)
iv © ISO 2005 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 11146-1:2005(F)
Introduction
Les propriétés de propagation de tout faisceau laser peuvent être caractérisées au moyen de méthodes de
moments de second ordre par dix paramètres indépendants (voir l'ISO/TR 11146-3). Cependant, la plupart
des faisceaux laser d'intérêt pratique nécessitent moins de paramètres pour une description complète, du fait
de leur plus grande symétrie. La plupart des lasers d'utilisation pratique émettent des faisceaux qui sont
stigmatiques ou simple astigmatiques, par la conception de leur résonateur.
La présente partie de l'ISO 11146 décrit les méthodes de mesure pour les faisceaux stigmatiques ou simple
astigmatiques, tandis que l'ISO 11146-2 traite des procédures de mesure pour les faisceaux astigmatiques
généraux. Pour les faisceaux de types inconnus, les méthodes de l'ISO 11146-2 doivent s'appliquer. La
caractérisation basée sur la méthode des moments de second ordre telles que décrites dans les deux parties
n'est valide que pour une approximation paraxiale.
La description théorique de la caractérisation du faisceau, ainsi que la classification des faisceaux laser sont
données dans l'ISO/TR 11146-3, qui est un Rapport technique informatif, il décrit les procédures pour la base
de soustraction et la compensation de correction.
Dans la présente partie de l'ISO 11146, les moments de second ordre de la distribution de densité de
puissance (énergie) sont utilisés pour la détermination des largeurs de faisceau. Cependant il peut se
présenter des problèmes inhérents à la mesure directe de ces grandeurs dans les faisceaux issus de
quelques sources lasers. Dans ce cas, d'autres méthodes de mesure indirectes des moments de second
ordre peuvent être utilisées tant que des résultats comparables sont obtenus.
Dans l'ISO/TR 11146-3, sont décrites trois méthodes alternatives pour la mesure de la largeur de faisceau et
leur corrélation avec la méthode utilisée dans la présente partie de l'ISO 11146. Ces méthodes sont:
méthode de l'ouverture variable,
méthode de la lame mobile,
méthode de la fente mobile.
Le problème de la dépendance du résultat de mesure aux limites de troncature de la surface d'intégration a
été étudié et évalué par une campagne d'essais comparatifs interlaboratoires à l'échelle internationale lancée
en 1997. Les résultats de cette intercomparaison ont été pris en considération lors de la préparation du
présent document.
L'Organisation Internationale de Normalisation (ISO) attire l'attention sur le fait qu'il est déclaré que la
conformité avec les dispositions du présent document peut impliquer l'utilisation d'un brevet intéressant la
détermination des caractéristiques du faisceau en mesurant le long du faisceau la caustique du faisceau
transformé, issu d’une lentille telle que décrite en 5.5.
L'ISO ne prend pas position quant à la preuve, à la validité et à la portée de ces droits de propriété.
Le détenteur de ces droits de propriété (U.S. No. 5,267,012) a donné l'assurance à l'ISO qu'il consent à
négocier des licences avec des demandeurs du monde entier, à des termes et conditions raisonnables et non
discriminatoires. À ce propos, la déclaration du détenteur des droits de propriété est enregistrée à l'ISO. Des
informations peuvent être demandées à:
Coherent Inc.
5100 Patrick Henry Drive
Santa Clara, CA 95056-0980
USA
L'attention est d'autre part attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire
l'objet de droits de propriété autres que ceux qui ont été mentionnés ci-dessus. L'ISO ne saurait être tenue
pour responsable de l'identification de ces droits de propriété en tout ou partie.
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NORME INTERNATIONALE ISO 11146-1:2005(F)
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai
des largeurs du faisceau, angles de divergence et facteurs de
limite de diffraction —
Partie 1:
Faisceaux stigmatiques et astigmatiques simples
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 11146 spécifie les méthodes pour mesurer les largeurs (diamètres) du faisceau,
les angles de divergence et les facteurs de limite de diffraction. Cette présente partie de l'ISO 11146
s'applique uniquement aux faisceaux stigmatiques et astigmatiques simples. Si le type de faisceau est
inconnu et pour les faisceaux astigmatiques généraux, il convient d'appliquer l'ISO 11146-2.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application 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 11145:2001, Optique et instruments d'optique — Lasers et équipements associés aux lasers —
Vocabulaire et symboles
ISO 11146-2, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai des largeurs du faisceau,
angles de divergence et facteurs de limite de diffraction — Partie 2: Faisceaux astigmatiques généraux
ISO 13694, Optique et instruments d'optique — Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes
d'essai de distribution de la densité de puissance (d'énergie) du faisceau laser
CEI 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, l'ISO 13694 et la
CEI 61040 ainsi que les suivants s'appliquent.
NOTE Dans ces définitions, les axes x, y et z se réfèrent au système lié au laboratoire tel que décrit à l'Article 4. Dans
le présent article ainsi que dans l'ensemble du document, le terme «distribution de densité de puissance E(x,y,z)» se
réfère aux sources d'onde continues. Il peut être remplacé par «distribution de densité d'énergie H(x,y,z)» dans le cas de
sources impulsionnelles.
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ISO 11146-1:2005(F)
3.1
moments de premier ordre d'une distribution de densité de puissance
xy,
coordonnées du centre de la distribution de densité de puissance d'une section droite d'un faisceau, données
par
∞∞
E x,,yzxxydd
()
∫∫
−∞ −∞
xz = (1)
()
∞∞
E xy,,z ddx y
()
∫∫
−∞ −∞
et
∞∞
E xy,,z yddx y
()
∫∫
−∞ −∞
yz = (2)
()
∞∞
E xy,,z ddx y
()
∫∫
−∞ −∞
NOTE Pour une application pratique, les limites d'intégration infinies doivent être réduites de façon spécifique tel
qu'indiqué à l'Article 7.
3.2
moments de second ordre d'une distribution de densité de puissance
22 2
σ,,σσ
x yxy
intégrales pondérées normalisées sur la distribution de densité de puissance, telles que
∞∞
2
E xy,,z x −x ddx y
()()
∫∫
22
−∞ −∞
σ zx== (3)
()
x
∞∞
Ex,,yz ddx y
()
∫∫
−∞ −∞
et
∞∞
2
E xy,,z y −y ddx y
()()
∫∫
22 −∞ −∞
σ zy== (4)
()
y
∞∞
Ex,,yz ddx y
()
∫∫
−∞ −∞
et
∞∞
E xy,,z x−−x y y ddx y
()()()
∫∫
2
−∞ −∞
σ zx==y (5)
()
xy
∞∞
Ex,,yz ddx y
()
∫∫
−∞ −∞
NOTE 1 Pour une application pratique les limites d'intégration infinies doivent être réduites de façon spécifique tel
qu'indiqué à l'Article 7.
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ISO 11146-1:2005(F)
2
NOTE 2 σ z est une notation symbolique et non un carré réel. Cette grandeur peut être positive, négative ou égale
()
xy
à zéro.
NOTE 3 Les parenthèses angulaires sont les notations d'opérateurs telles qu'utilisées dans l'ISO 11146-2 et
l'ISO/TR 11146-3.
3.3
axes principaux d'une distribution de densité de puissance
axes des extensions de faisceau minimale et maximale basés sur les moments de second ordre centrés de la
distribution de densité de puissance dans une section droite du faisceau
NOTE Les axes des extensions minimale et maximale sont toujours perpendiculaires entre eux.
3.4
orientation d'une distribution de densité de puissance
ϕ
angle entre l'axe des x du système lié au laboratoire et ceux des axes principaux de la distribution de densité
de puissance le plus proche de l'axe des x
NOTE De cette définition découle que −π44< ϕ < π pour ϕ ≠ π 4; si ϕ = ±π 4 , ϕ est défini comme l'angle
entre l'axe des x et l'axe majeur principal (axe de l'extension maximale) de la distribution de densité de puissance.
3.5
largeurs du faisceau
dd,
σx σy
extension de la distribution de densité de puissance dans une section droite du faisceau à une position axiale
z le long de l'axe principal, qui est plus proche des axes x ou y respectivement du système de coordonnées du
laboratoire, basée sur les moments de second ordre de la distribution de densité de puissance
NOTE Si les axes principaux font un angle de π/4 avec les axes x et y du système de coordonnées du laboratoire,
alors d est par convention la plus grande largeur du faisceau.
σx
NOTE Cette définition diffère de celle donnée dans l'ISO 11145:2001, 3.5.2, pour laquelle les largeurs de faisceau
sont définies seulement dans le système lié au laboratoire, alors que pour la présente partie de l'ISO 11146, les largeurs
du faisceau sont définies dans le système d'axes principal.
3.6
ellipticité d'une distribution de densité de puissance
ε
rapport entre les largeurs de faisceau maximale et minimale
3.7
distribution de densité de puissance circulaire
distribution de densité de puissance ayant une ellipticité plus grande que 0,87
3.8
diamètre du faisceau
d
σ
extension latérale d'une distribution de densité de puissance circulaire, basée sur les moments de second
ordre
3.9
stigmatisme
propriété d'un faisceau ayant des distributions de densité de puissance circulaire dans tout plan de
propagation libre et présentant des distributions de densité de puissance après propagation à travers une
lentille cylindrique ayant la même orientation orthogonale azimutale que la lentille
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ISO 11146-1:2005(F)
3.10
astigmatisme simple
propriété d'un faisceau non stigmatique pour lequel l'angle l'azimut montre une orientation constante sous une
propagation libre, et qui garde son orientation originelle après passage à travers un système optique
cylindrique dont l'axe est parallèle à l'un des axes principaux
NOTE Les axes principaux d'une distribution de densité de puissance correspondant à un faisceau astigmatique
simple sont appelés les axes principaux de ce faisceau.
3.11
astigmatisme général
propriété d'un faisceau qui n'est ni stigmatique, ni astigmatique simple
NOTE La présente partie de l'ISO 11146 concerne uniquement les faisceaux stigmatiques et astigmatiques simples.
Se référer à l'ISO 11146-2 pour les faisceaux astigmatiques généraux.
3.12
positions du col du faisceau
z ,, zz
00xy 0
positions pour la référence z = 0 où les largeurs du faisceau ou le diamètre du faisceau atteignent leur valeur
minimale le long de l'axe de propagation
Voir la Figure 1.
NOTE 1 Dans le cas de faisceaux astigmatiques généraux, qui ne sont pas objet de la présente partie de l'ISO 11146,
cette définition ne s'applique pas.
NOTE 2 Pour des faisceaux astigmatiques simples, les positions du col z et z correspondant aux axes principaux,
0x 0y
peuvent ou non coïncider.
Figure 1 — Paramètres de propagation d'un faisceau astigmatique simple
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ISO 11146-1:2005(F)
3.13
largeurs du col du faisceau
dd,
σx00σy
largeurs du faisceau aux positions du col du faisceau d'un faisceau astigmatique simple
NOTE d est la largeur du faisceau d à la position zd, , est la largeur du faisceau d à la positionz .
σx0 σx 00x σy σy 0y
3.14
diamètre du col du faisceau
d
σ0
diamètre du faisceau à la position du col du faisceau d'un faisceau stigmatique
3.15
angles de divergence du faisceau
Θ,, ΘΘ
σx σy σ
mesure de l'accroissement des largeurs du faisceau ou du diamètre du faisceau, respectivement, avec
l'accroissement de la distance aux positions du col du faisceau, donné par
dz
( )
σx
Θ = lim (6)
σx
z −z
zz−→∞
()
0x
0x
et
dz( )
σy
Θ = lim (7)
σy
z −z
zz−→∞ 0y
()
0y
pour les faisceaux astigmatiques simples et
dz
()
σ
Θ = lim (8)
σ
z −z
zz−→∞
()
0
0
pour les faisceaux stigmatiques
NOTE 1 La divergence de faisceau est exprimée comme un angle total.
NOTE 2 Cette définition diffère de celle donnée dans l'ISO 11145:2001, 3.18.2, pour laquelle les angles de divergence
du faisceau sont définis seulement dans le système lié au laboratoire, alors que pour la présente partie de l'ISO 11146, les
angles de divergence du faisceau sont définis dans le système d'axes principaux.
3.16 facteurs de limite de diffraction
NOTE 1 Le terme «facteur de limite de diffraction» remplace «facteur relatif à la diffraction» utilisé dans
l'ISO 11146:1999.
NOTE 2 Ces facteurs de limite de diffraction, tels que définis en 3.16.1 et 3.16.2, sont des invariants de propagation
pour les faisceaux stigmatiques et astigmatiques simples, respectivement, sous réserve que l'optique impliquée ne
change pas le caractère stigmatique ou astigmatique simple du faisceau.
3.16.1
facteurs de limite de diffraction
2 2
et
M M
x y
〈faisceaux astigmatiques simples〉 rapports du produit de paramètre de faisceau le long des axes principaux
du faisceau considéré à la limite de diffraction d'un faisceau gaussien parfait de même longueur d'onde λ
π d Θ
2 σx0 σx
M = ⋅ (9)
x
λ 4
d Θ
π σyy0 σ
2
M =⋅ (10)
y
λ 4
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3.16.2
facteurs de limite de diffraction
2
M
〈faisceaux stigmatiques〉 rapport du produit de paramètre de faisceau du faisceau considéré à la limite de
diffraction d'un faisceau gaussien parfait (TEM ) de même longueur d'onde λ
00
Θ
π d
2
σ 0 σ
(11)
M =⋅
λ 4
4 Systèmes de coordonnées
Les axes x, y et z définissent les directions spatiales orthogonales dans le système d'axes lié au laboratoire et
doivent être spécifiés par l'utilisateur. L'axe z coïncide approximativement avec la direction du faisceau. Les
axes x et y sont des axes transversaux, généralement horizontal et vertical, respectivement. L'origine de l'axe
des x est dans un plan de référence x-y défini par le fabricant, par exemple la façade de l'enveloppe du laser.
5 Principes de l'essai
5.1 Applicabilité
Les principes d'essai suivants sont valides uniquement pour les faisceaux stigmatiques et astigmatiques
simples. Pour les faisceaux astigmatiques généraux, l'ISO 11146-2 doit s'appliquer.
5.2 Largeurs du faisceau et diamètre du faisceau
Pour la détermination des largeurs ou du diamètre de faisceau à la position, la distribution de densité de
puissance du faisceau laser doit être mesurée dans le plan x-y à la position z. Des corrections de fond
adaptées doivent être appliquées aux données de mesure si nécessaire (voir l'ISO/TR 11146-3). À partir de la
distribution de densité de puissance mesurée, les moments du premier ordre et du second ordre centré sont
calculés. À partir des moments de second ordre centrés, les largeurs du faisceau dz(),(d z) , l'ellipticité ε ,
σσxy
et, si pertinent, le diamètre du faisceau dz() sont à déterminer.
σ
5.3 Angles de divergence du faisceau
La détermination des angles de divergence s'obtient à partir de mesurages de largeurs ou de diamètre de
faisceau dans le plan focal d'un élément de focalisation.
En premier lieu, le faisceau laser doit être transformé par un élément de focalisation dépourvu d'aberration.
Pour un faisceau astigmatique simple, les largeurs de faisceau d et d sont mesurées à une longueur
σxf σyf
focale f du plan principal arrière de l'élément de focalisation. Les angles de divergence correspondants Θ et
σx
Θ sont déterminés par les relations
σ
d
σxf
Θ = (12)
σx
f
et
d
σyf
Θ = (13)
σy
f
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ISO 11146-1:2005(F)
Pour les faisceaux stigmatiques, le diamètre du faisceau d est mesuré et l'angle de divergence est
σf
déterminé en utilisant
d
σ f
Θ = (14)
σ
f
5.4 Facteur de limite de diffraction
2 2 2
Pour la détermination des facteurs de limite de diffraction M , M ou M , respectivement, il est
x y
nécessaire de déterminer les largeurs de col dd, ou le diamètre de col d du faisceau, et les angles
σx00σy
σ0
de divergences correspondantsΘ , Θ ou Θ .
σx σy σ
5.5 Mesurage combiné des positions du col, des largeurs, des angles de divergence et
des facteurs de limite de diffraction
Les données de largeur de faisceau le long de l'axe de propagation doivent être ajustées à une hyperbole tel
que présenté à l'Article 9. Les positions du col, largeurs de col, angles de divergences et facteurs de limite de
diffraction sont dérivés de ces paramètres d'ajustement.
6 Installation de mesure et équipement d'essai
6.1 Généralités
L'essai est basé sur le mesurage d'une distribution de densité de puissance d'une section droite à un nombre
de positions axiales le long de l'axe de propagation du faisceau.
6.2 Préparation
Il convient que l'axe optique du système de mesurage soit coaxial avec le faisceau laser à mesurer. Des
dispositifs d'alignement optique appropriés sont disponibles pour cette opération (par exemple lasers
d'alignement ou jeux de miroirs de pointage).
L'ouverture du système optique devrait accepter la totalité de la section droite du faisceau laser. L'écrêtage
doit être inférieur à 1 % de la puissance (énergie) totale du faisceau. Pour vérifier cela, des ouvertures de
différentes largeurs peuvent être introduites dans le trajet du faisceau en face de chaque composant optique.
L'ouverture qui réduit le signal de sortie de 5 % devrait avoir un diamètre huit fois plus petit que l'ouverture du
composant optique.
Il convient de monter les atténuateurs et optiques de formation de faisceau de telle sorte que les axes
optiques passent par les centres géométriques. Une attention doit être portée pour éviter les erreurs
systématiques. Les réflexions, effets d'interférence, lumière ambiante externe, rayonnement thermique et
courants d'air sont des sources potentielles d'accroissement de l'incertitude.
6.3 Contrôle de l'environnement
Des opérations appropriées telles que l'isolation mécanique et acoustique de l'installation d'essai, les
protections contre les radiations parasites, la stabilisation en température du laboratoire, le choix des
amplificateurs à faible bruit doivent être effectués pour assurer une faible contribution sur l'incertitude totale
sur les paramètres.
Il convient de s'assurer que l'environnement atmosphérique propre au trajet des faisceaux laser de puissance
ne contient pas de gaz ou de vapeurs susceptibles d'absorber le rayonnement laser et provoquer une
distorsion thermique dans le faisceau à mesurer.
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6.4 Système de détection
Le mesurage de la distribution de densité de puissance exige l'utilisation d'un appareil mesureur de puissance
(énergie) doté d'une résolution spatiale et d'un rapport signal/bruit élevés.
L'exactitude de la mesure est directement liée à la résolution spatiale du système de détection et à son
rapport signal/bruit. Ce dernier est important pour les faisceaux laser ayant des densités de puissance
(énergie) faibles à de plus grands diamètres (par exemple pour les parties diffractées des faisceaux laser).
NOTE Pour les systèmes de détection basés sur les pixels, il convient que la résolution spatiale soit au moins 1/20
du diamètre du faisceau.
En pratique, le bruit dans les ailes de la fonction de distribution de la densité E(x,y,z) peut immédiatement
dominer l'intégrale du moment de deuxième ordre. Ainsi, il est généralement nécessaire d'appliquer des
procédures de correction du bruit de fond. Voir l'ISO/TR 11146-3 pour plus de détails.
Les dispositions de la CEI 61040:1990, et plus particulièrement celles des Articles 3 et 4, s'appliquent au
système de détection du rayonnement. Il convient en outre de noter les points suivants.
Il faut vérifier les seuils de dommage de la surface du détecteur de sorte que le faisceau laser ne les
dépasse pas.
Il doit être confirmé, à partir des données de fabrication ou des mesures effectuées, que la grandeur de
sortie du système de détection (par exemple la tension) dépend linéairement de la grandeur d'entrée
(puissance laser). Toute dépendance en fonction de la longueur d'onde, toute non-linéarité ou non-
uniformité du détecteur ou du dispositif électronique doit être rendue minimale ou corrigée au moyen d'un
procédé d'étalonnage.
Lorsque l'on utilise un dispositif à défilement spatial pour déterminer la fonction de distribution de la
densité de puissance, il faut s'assurer de la stabilité spatiale et temporelle de la sortie du laser pendant
toute la durée du défilement.
Lorsque l'on mesure des faisceaux laser impulsionnels, la temporisation de déclenchement de
l'échantillonnage ainsi que l'intervall
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.