ISO 11554:2006
(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 11554:2006 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 ISO 11554:2006 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 11554:2006 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 et de durée d'impulsion et de fréquence de répétition des impulsions. 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 11554:2006 sont destinées à être utilisées pour les essais et la détermination des caractéristiques des lasers.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 11554
Third edition
2006-05-01
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 11554:2006(E)
©
ISO 2006
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ISO 11554:2006(E)
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ISO 11554:2006(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
6.2 Control of environmental impacts . 6
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 Small signal cut-off frequency . 9
8 Evaluation. 9
8.1 General. 9
8.2 Power of cw lasers. 9
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. 10
8.7 Pulse duration stability . 13
8.8 Pulse repetition rate . 13
8.9 Small signal cut-off frequency . 13
9 Test Report . 13
Annex A (informative) Relative intensity noise (RIN) . 16
Bibliography . 18
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ISO 11554:2006(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.
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.
ISO 11554 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee SC 9,
Electro-optical systems.
This third edition cancels and replaces the second edition (ISO 11554:2003), which has been technically
revised.
For the purposes of this International Standard, the CEN annex regarding fulfilment of European Council
Directives has been removed.
iv © ISO 2006 – All rights reserved
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ISO 11554:2006(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
International Standard 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 International Standard is a Type B standard as stated in ISO 12100-1.
The provisions of this International standard 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.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 11554:2006(E)
Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment —
Test methods for laser beam power, energy and temporal
characteristics
1 Scope
This International Standard 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 International Standard are used for the testing and characterization of lasers.
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 last edition of the referenced document
(including any amendments) applies.
ISO 11145:2006, Optics and optical instruments — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and
symbols
IEC 61040:1990, Power and energy measuring detectors, instruments and equipment for laser radiation
International vocabulary of basic and general terms in metrology (VIM). BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP,
OIML, 2nd ed. 1993
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 11145, in the VIM and the following
apply.
3.1
relative intensity noise
RIN
R( f )
single-sided spectral density of the power fluctuations normalized to the square of the average power as a
function of the frequency f
NOTE 1 The relative intensity noise R( f ) or RIN as defined above is explicitly spoken of as the “relative intensity noise
spectral density”, but usually simply referred to as RIN.
NOTE 2 For further details, see Annex A.
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
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ISO 11554:2006(E)
4 Symbols and units of measurement
The symbols and units specified in ISO 11145 and in Table 1 are used in this International Standard.
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
m 1 Reading
m 1 Mean value of readings
P W Power averaged over the sampling period
Mean power, averaged over the measurement period at the operating conditions
W
P
specified by the manufacturer
Relative power fluctuation to a 95 % confidence level for the appropriate
∆P 1
sampling period [∆P (1 µs) and/or ∆P (1 ms) and/or ∆P (0,1 s) and/or ∆P (1 s)]
Q J Mean pulse energy
∆Q 1 Relative pulse energy fluctuation to a 95 % confidence level
−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 % confidence
U (C) 1
rel
level (coverage factor k = 2)
τ s Fall time of laser pulse
F
∆τ 1 Relative pulse duration fluctuation with regard to τ to a 95 % confidence level
H H
τ s Rise time of laser pulse
R
∆τ 1 Relative pulse duration fluctuation with regard to τ to a 95 % confidence level
10 10
[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 k = 2. It is
[3]
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 lg R( f ) with R( f ) given in Hz .
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ISO 11554:2006(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 assure 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.
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ISO 11554:2006(E)
Key
1 integrating sphere 3 device being measured
2 diffusing opaque screen 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.
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ISO 11554:2006(E)
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 in 7.9
c
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
1 laser 5 electrical splitter
2 lens 6 meter
3 attenuator or other lossy medium 7 pre-amplifier
4 detector 8 electrical spectrum analyser
A reference plane that defines RIN
B Poisson RIN increases due to losses
C detector adds shot-noise RIN
NOTE See reference [4].
Figure 2 — Measurement arrangement for RIN determination
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 C , C coupling capacitors
1 2
Figure 3 — Measurement arrangement for determination
of the small signal cut-off frequency of diode lasers
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ISO 11554:2006(E)
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-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, non-linearity or non-uniformity of the detector or
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 11554
Troisième édition
2006-05-01
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 11554:2006(F)
©
ISO 2006
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ISO 11554:2006(F)
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Publié en Suisse
ii © ISO 2006 – Tous droits réservés
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ISO 11554:2006(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 mesure . 2
5 Principes de mesure. 3
6 Configuration de mesure, appareillage d'essai et dispositifs auxiliaires. 3
6.1 Préparation. 3
6.2 Contrôle des effets de l'environnement . 6
6.3 Détecteurs. 6
6.4 Optique de formation du faisceau. 7
6.5 Atténuateurs optiques. 7
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. 8
7.5 Stabilité de l'énergie des lasers impulsionnels . 8
7.6 Forme d'impulsion temporelle, durée d'impulsion, temps de montée et puissance de crête. 8
7.7 Stabilité de la durée d'impulsion. 9
7.8 Fréquence de répétition des impulsions. 9
7.9 Fréquence de coupure aux petits signaux. 9
8 Évaluation. 9
8.1 Généralités. 9
8.2 Puissance des lasers continus . 10
8.3 Stabilité de puissance des lasers continus . 10
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 . 11
8.7 Stabilité de la durée d'impulsion. 13
8.8 Fréquence de répétition des impulsions. 13
8.9 Fréquence de coupure aux petits signaux. 13
9 Rapport d'essai . 13
Annexe A (informative) Bruit d'intensité relative (RIN). 16
Bibliographie . 18
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ISO 11554:2006(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'attention est appelée 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.
L'ISO 11554 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-comité SC 9,
Systèmes électro-optiques.
Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 11554:2003), qui a fait l'objet d'une
révision technique.
Pour les besoins de la présente Norme internationale, l'annexe CEN relative au respect des Directives CE a
été retirée.
iv © ISO 2006 – Tous droits réservés
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ISO 11554:2006(F)
Introduction
Le mesurage de la puissance laser (de l'énergie pour les lasers impulsionnels) est un type courant de
mesurage employé par les fabricants et les utilisateurs de lasers. Les mesurages de puissance (énergie) sont
nécessaires pour la classification pour 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 directives relatives à la réalisation des mesurages de puissance (d'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. La présente Norme 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 les comptes rendus de résultats de mesure de
la puissance (de l'énergie), un rapport d'essai est également inclus.
La présente Norme internationale est une norme du type B, comme énoncé dans l'ISO 12100-1.
Les dispositions de la présente Norme internationale peuvent être complétées ou modifiées par une norme du
type C.
Noter que pour les machines qui sont couvertes par le domaine d'application d'une norme du type C et qui ont
été conçues et fabriquées selon les dispositions de cette norme, les dispositions de cette norme du type C
prévalent sur les dispositions de cette norme du type B.
© ISO 2006 – Tous droits réservés v
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NORME INTERNATIONALE ISO 11554:2006(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
La présente Norme Internationale 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
et de durée d'impulsion et de fréquence de répétition des impulsions. 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 la présente Norme Internationale sont destinées à être utilisées pour les
essais et la détermination des caractéristiques des lasers.
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 (y compris les éventuels amendements) s'applique.
ISO 11145:2006, Optique et instruments d'optique — Lasers et équipements associés aux lasers —
Vocabulaire et symboles
CEI 61040:1990, Détecteurs — Instruments et matériels de mesurage de puissance et d'énergie des
rayonnements laser
Vocabulaire international des termes fondamentaux et généraux de métrologie (VIM),
BIPM/CEI/FICC/ISO/OIML/UICPA/UIPPA
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 11145 et dans le VIM,
ainsi que les suivants s'appliquent.
3.1
bruit d'intensité relative
RIN
R( f )
densité spectrale unilatérale des fluctuations de puissance normalisée au carré de la puissance moyenne en
fonction de la fréquence f
NOTE 1 Le bruit d'intensité relative R( f) ou RIN, tel que défini ci-dessus, correspond expressément à la «densité
spectrale du bruit d'intensité relative», mais il est, en général, simplement dénommé RIN.
NOTE 2 Pour de plus amples détails, voir Annexe A.
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ISO 11554:2006(F)
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 constante et faible, et que
l'on augmente la fréquence
4 Symboles et unités de mesure
Les symboles et unités spécifiés dans l'ISO 11145 et dans le Tableau 1 sont utilisés dans la présente Norme
Internationale.
Tableau 1 — Symboles et unités de mesure
Symbole Unité Terme
Fluctuation relative de puissance à un niveau de confiance de 95 % pour une durée
∆P 1 d'échantillonnage appropriée ∆P [(1 µs) et/ou ∆P (1 ms) et/ou ∆P (0,1 s) et/ou
∆P (1 s)]
P W Puissance moyennée sur la durée d'échantillonnage
Puissance moyenne, calculée sur la durée de mesurage, aux conditions de
P W
fonctionnement spécifiées par le fabricant
∆Q 1 Fluctuation relative de l'énergie d'impulsion au niveau de confiance de 95 %
Q J Énergie pulsée moyenne
t s Durée de mesurage
s 1 Écart-type mesuré
Incertitude relative élargie correspondant à un niveau de confiance de 95 % (facteur
U 1
rel
d'élargissement k = 2)
Incertitude relative élargie d'étalonnage correspondant à un niveau de confiance de
U (C) 1
rel
95 % (facteur d'élargissement k = 2)
k 1 Facteur d'élargissement pour la détermination de l'incertitude
T s Durée de répétition des impulsions
τ s Temps de montée de l'impulsion du laser
R
τ s Temps de descente de l'impulsion du laser
F
Fluctuation relative de la durée d'impulsion par rapport à τ au niveau de confiance de
H
∆τ 1
H
95 %
Fluctuation relative de la durée d'impulsion par rapport à τ au niveau de confiance de
10
∆τ 1
10
95 %
m 1 Lecture
m 1 Valeur moyenne des lectures
S(t) 1 Signal du détecteur
−1
R( f) Hz ou dB/Hz Bruit d'intensité relative, RIN
f Hz Fréquence
[ f , f] Hz Domaine de fréquences pour lequel le bruit d'intensité relative R( f ) est donné
1 2
f Hz Fréquence de coupure aux petits signaux
c
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. On la
[3]
détermine conformément au GUM . 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 .
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5 Principes de mesure
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 hautement divergentes 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 mesure, 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 mesure 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 Éliminer ces ouvertures avant d'effectuer les mesurages de puissance (d'énergie) décrits dans l'Article 7.
6.1.2 Sources ayant de grands angles de divergence
Le rayonnement émis par des sources hautement divergentes 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 telle sorte qu'aucun rayonnement direct n'atteigne le détecteur.
La Figure 1 présente une configuration de mesure 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.
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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 Mesurage du spectre du RIN
La configuration de mesure utilisée pour déterminer le spectre du RIN est représentée à la Figure 2. Le
faisceau se propage à travers la lentille, un atténuateur ou un autre milieu réducteur est recueilli par le
détecteur. Lors de l'ajustement de la configuration de mesure, la puissance de sortie rétroréfléchie dans le
laser doit être minimisée de façon à éviter que des distorsions n'influencent les mesurages.
Le RIN, R( f ), est à déterminer 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 dans l'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 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,
⎯ la modulation de fréquence,
⎯ le retard et l'amplitude du retour optique,
⎯ le rapport mode/suppression, et
⎯ 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.
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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 donnée en 7.9 et la puissance de sortie en courant alternatif est mesurée. La Figure 3 représente
la configuration fondamentale de mesure dans le cas des diodes lasers. Lors de l'ajustement de la
configuration de mesure, la puissance de sortie rétroréfléchie dans le laser doit être minimisée de façon à
éviter que des distorsions n'influencent les mesurages.
Légende
1 laser 5 séparateur électrique
2 lentille 6 ampèremètre
3 atténuateur ou milieu réducteur 7 préamplificateur
4 détecteur 8 analyseur de spectre électrique
A plan de référence qui définit le RIN
B la composante de Poisson du RIN augmente en raison des pertes
C le détecteur ajoute un bruit de grenaille au RIN
NOTE Voir référence [4].
Figure 2 — Configuration de mesure utilisée pour déterminer le spectre du RIN
Légende
D dispositif soumis au mesurage G générateur de courant alternatif à fréquence réglable
1
PD photodétecteur G générateur de courant continu
2
M mesureur de la puissance de sortie C , C condensateurs de couplage
1 2
en courant alternatif
Figure 3 — Configuration de mesure utilisée pour déterminer la fréquence de coupure
aux petits signaux des diodes lasers
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6.2 Contrôle des effets de l'environnement
Prendre des mesures appropriées telles qu'une (ou des) isolation(s) mécanique, acoustique et vibratoire 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 de ces différents facteurs à l'erreur
totale reste inférieure à 10 % de l'incertitude prévue. Vérifier cela en effectuant un mesurage du bruit de fond
tel que celui 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 la CEI 61040:1990, en particulier aux Articles 3 et 4. De
plus les points suivants doivent être observés.
a) Mesureur de puissance/d'énergie étalonné:
⎯ toute non-linéarité ou non-uniformité du détecteur ou du dispositif électronique, ainsi que toute
dépendance vis-à-vis de la longueur d'onde, doivent être réduites le plus possible 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.
Légende
1 plan du détecteur
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 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);
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⎯ les pertes totales par les orifices de la sphère doivent être inférieures à 5 %;
⎯ si le dispositif à mesurer est monté à l'intérieur d'une 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 non-linéarité ou non-uniformité du détecteur et des dispositifs électroniques qui lui
sont associés, ainsi que toute dépendance vis-à-vis de la longueur d'onde, doivent être réduites le
plus possible ou corrigées au moyen d'un mode opératoire d'étalonnage;
⎯ la largeur de bande de la fréquence électrique du détecteur, y compris la largeur de bande de toute
l'électronique qui lui est associée, doit reproduire correctement la forme de l'impulsion temporelle du
laser.
Lors du mesurage des caractéristiques de forme de l'impulsion (par exemple la puissance de crête, la largeur
d'impulsion, etc.), le temps de montée et le temps de descente du détecteur utilisé (incluant l'amplificateur et
tout autre dispositif électronique qui lui est associé) doit être égal à moins d'un dizième du temps de montée
et du temps de descente de chacune des impulsions à mesurer, respectivement.
Lors du mesurage de la fréquence de coupure aux petits signaux, le photodétecteur doit avoir une réponse en
fréquence supérieure à 3f .
c
Des précautions doivent être prises pour garantir que les seuils de détérioration (pour l'éclairement,
l'exposition énergétique, la puissance et l'énergie) de la surface du détecteur et de tous les éléments optiques
situés entre le laser et le détecteur (tels que le polariseur et l'atténuateur) ne sont pas dépassés par le
faisceau laser incident.
6.4 Optique de formation du faisceau
Si la section transversale du faisceau est plus grande que la surface du détecteur, un système optique adapté
doit être utilisé pour former l'image correspondant à la superficie de la section transversale du faisceau laser
sur la surface du détecteur.
Une optique appropriée à la longueur d'onde du rayonnement laser à mesurer doit être choisie. Les pertes par
absorption/réflexion/division/diffraction doivent être mesurées et prises en compte dans tous les mesurages.
L'état de polarisation du rayonnement laser doit également être pris en considération en cas de réflexions
liées à la polarisation.
6.5 Atténuateurs optiques
Lorsque cela est nécessaire, un atténuateur peut être utilisé pour réduire la densité de puissance du laser à la
surface du détecteur.
Des atténuateurs optiques doivent être utilisés lorsque la puissance de sortie du laser ou sa densité de
puissance sont supérieures soit à la plage de fonctionnement (linéaire), soit au seuil de détérioration du
détecteur. Toute dépendance vis-à-vis de la longueur d'onde ou de la polarisation, toute dépendance
angulaire, toute non-linéarité ou toute non-uniformité spatiale de l'atténuateur optique doit être réduite le plus
possible ou corrigée au moyen d'un mode opératoire d'étalonnage.
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7 Mesurages
7.1 Généralités
Sauf indication contraire, répéter tous les mesurages 10 fois en intercalant des mesurages du bruit de fond.
Avant de commencer les mesurages, allumer le laser et le laisser chauffer conformément aux spécifications
du fabricant de façon qu'il atteigne l'équilibre thermique. Effectuer les mesurages aux conditions de
fonctionnement spécifiées par le fabricant du laser pour le type de laser soumis à l'évaluation.
7.2 Puissance des lasers continus
Mesurer la puissance au moyen d'un mesureur de puissance étalonné et, si cela est requis, d'un atténuateur
étalonné.
7.3 Stabilité de la puissance des lasers continus
Pour déterminer la stabilité à court terme, la durée de mesure est de 1 ms. Le faisceau est échantillonné
toutes les 1 µs. La cons
...
Questions, Comments and Discussion
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