ISO 13695:2004

Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test methods for the spectral characteristics of lasers

ISO 13695:2004 specifies methods by which the spectral characteristics such as wavelength, bandwidth, spectral distribution and wavelength stability of a laser beam can be measured. ISO 13695:2004 is applicable to both continuous wave (cw) and pulsed laser beams. The dependence of the spectral characteristics of a laser on its operating conditions may also be important.

Optique et photonique — Lasers et équipement associé aux lasers — Méthodes d'essai des caractéristiques spectrales des lasers

L'ISO 13695:2005 spécifie des méthodes qui permettent de mesurer les caractéristiques spectrales, telles que la longueur d'onde, la largeur spectrale, la distribution spectrale et la stabilité en longueur d'onde d'un laser. La présente Norme internationale s'applique aux faisceaux laser continu et impulsionnel. La dépendance des caractéristiques spectrales d'un laser vis-à-vis de ses conditions de fonctionnement peut être également importante.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 06-Jun-2004
• ICS: 31.260 - Optoelectronics. Laser equipment
• ICS: 37.020 - Optical equipment
• Technical Committee: ISO/TC 172/SC 9 - Laser and electro-optical systems
• Drafting Committee: ISO/TC 172/SC 9/WG 1 - Terminology and test methods for electro-optical systems
• Current Stage: 9599 - Withdrawal of International Standard
• Due Date: 22-Nov-2024
• Completion Date: 22-Nov-2024

Relations

• Revised: ISO 13695:2024 - Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test methods for the spectral characteristics of lasers
• Effective Date: 28-Oct-2023

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13695
First edition
2004-06-01
Optics and photonics — Lasers and
laser-related equipment — Test
methods for the spectral
characteristics of lasers
Optique et photonique — Lasers et équipement associé aux lasers —
Méthodes d'essai des caractéristiques spectrales des lasers

Reference number
©
ISO 2004
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope. 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions. 1
4 Symbols and abbreviated terms. 8
5 Traceability . 9
6 Measurement of wavelength and bandwidth . 9
6.1 General. 9
6.2 Types of measurements. 10
6.3 Equipment selection . 11
6.4 Measurements in air . 11
6.5 Measurements at low resolution . 12
6.6 Measurement at higher resolution . 14
7 Measurement of wavelength stability . 17
7.1 Dependence of the wavelength on operating conditions. 17
7.2 Wavelength stability of a single frequency laser. 17
8 Test report. 18
Annex A (informative) Refractive index of air. 20
Annex B (informative) Criteria for the choice of a grating monochromator and its accessories —
Calibration. 21
Annex C (informative) Criteria for the choice of a Fabry-Perot interferometer. 24
Bibliography . 25

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 13695 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee SC 9,
Electro-optical systems.
iv © ISO 2004 – All rights reserved

Introduction
The spectral characteristics of a laser, such as its peak wavelength or spectral linewidth, are important for
potential applications. Examples are the specific application requirements of interferometry and lithography.
This International Standard gives definitions of key parameters describing the spectral characteristics of a
laser, and provides guidance on performing measurements to determine these parameters for common laser
types.
The acceptable level of uncertainty in the measurement of wavelength will vary according to the intended
application. Therefore, equipment selection and measurement and evaluation procedures are outlined for
three accuracy classes. To standardize reporting of spectral characteristics measurement results, a report
example is also included.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 13695:2004(E)

Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment —
Test methods for the spectral characteristics of lasers
1 Scope
This International Standard specifies methods by which the spectral characteristics such as wavelength,
bandwidth, spectral distribution and wavelength stability of a laser beam can be measured. This International
Standard is applicable to both continuous wave (cw) and pulsed laser beams. The dependence of the spectral
characteristics of a laser on its operating conditions may also be important.
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 12005, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam parameters — Polarization
IEC 60747-5-1, Discrete semiconductor devices and integrated circuits — Part 5-1: Optoelectronic devices —
General
1) 2) 3) 4)
Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM), BIPM , IEC, IFCC , ISO, IUPAC , IUPAP ,
5)
OIML , 1993, corrected and reprinted in 1995
International vocabulary of basic and general terms in metrology (VIM). BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP,
OIML, Geneva, ISO
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in the VIM, ISO 11145 and IEC 60747-5-1,
and the following apply.
3.1
wavelength in vacuum
λ
wavelength of an infinite, plane electromagnetic wave propagating in vacuum
NOTE For a wave of frequency f, the wavelength in vacuum is then given by λ = c/f, where c = 299 792 458 m/s.
1) International Bureau of Weights and Measures (Bureau International des Poids et Measures).
2) International Federation of Clinical Chemistry and Laboratory Medicine.
3) International Union of Pure and Applied Chemistry.
4) International Union of Pure and Applied Physics.
5) International Organization of Legal Metrology (Organization International de Metrologie Legale).
3.2
wavelength in air
λ
air
wavelength of radiation propagating in the air and related to the wavelength in vacuum by the relationship:
λ = λ / n
air 0 air
where n denotes the refractive index of ambient air (see 6.4)
air
NOTE The specific properties of the ambient atmosphere, such as humidity, pressure, temperature and composition
all influence n . Therefore it is better to report the wavelength in vacuum, or the wavelength in standard air. These can be
air
calculated from λ and n using the equation given in 6.4.
air air
3.3
wavelength in dry air under standard conditions
λ
std
wavelength of radiation propagating in dry air (0 % humidity) under standard conditions and related to the
wavelength in vacuum λ by the relationship:
λ = λ / n
std 0 std
where n denotes the refractive index of air under standard conditions (see 6.4).
std
NOTE For the purpose of this International Standard, air under standard conditions is as defined in 6.4. Note that
various other “standard conditions” have been reported in the literature. It is therefore necessary to quote the conditions in
the test report.
3.4
spectral radiant power [energy] distribution
P (λ), [Q (λ)]
λ λ
ratio of the radiant power dP(λ) [or energy dQ(λ) in the case of a pulsed laser] transferred by laser beam in the
range of wavelength dλ to that range
dP λ dQ λ
( ) ()
P λ = Q λ =
() ()
λ λ
dλ dλ


NOTE The radiant power (energy) delivered by the laser beam in any bandwidth λ to λ is then given by the
low high
integral:

λλ
high high

PP==()λ dλλQ Q ( ) dλ
λλ
∫∫

λλ

low low

3.5
peak-emission wavelength
λ
p
wavelength at which the spectral radiant power (energy) distribution has its maximum value
See Figure 1.
2 © ISO 2004 – All rights reserved

3.6
weighted average wavelength (first moment)
λ
g
wavelength representing the centre of gravity of the spectral radiant power (energy) distribution, as defined by:
λ
max
λ S()λλd
∫
λ
min
λ =
g
λ
max
S()λ dλ
∫
λ
min
where S(λ) is the spectral radiant power P (λ) in the case of a cw laser, or the spectral radiant energy
λ
distribution Q (λ) in the case of a pulsed laser
λ
See Figure 1.
NOTE For choosing of the integration limits λ and λ , see 6.2.2.
min max
3.7
central wavelength
λ
weighted average of the wavelengths of spectral lines or modes:
ii=
max
I λ
∑ ii
ii=
min
λ =
ii=
max
I
∑ i
ii=
min
where
λ is the wavelength of the ith spectral line or the ith mode;
i
I is the relative radiant power of the ith spectral line or the ith mode;
i
i , i denote extreme spectral lines or modes below and above λ .
min max p
NOTE 1 Usually, the summation limits are chosen such that the relative radiant power of spectral lines or modes
outside the limits remains less than 1 % of the relative radiant power of the strongest line or mode, located at λ .
p
NOTE 2 This definition is particularly useful in the case of a multi-mode laser.
3.8
average wavelength
λ
av
ratio of the light velocity c to the average optical emission frequency f
av
λ = c/f
av av
NOTE The average optical emission frequency f can be measured directly, e.g. by the heterodyne measurement
av
method (see 6.6.5).
3.9
RMS spectral radiation bandwidth (second moment)
∆λ
second moment of the spectral radiant power (energy) distribution, as defined by:
λ
max
()λ −λλS()dλ
g
∫
λ
min
∆=λ
λ
max
S()λλd
∫
λ
min
where S(λ) is the spectral radiant power P (λ) in the case of a cw laser, or the spectral radiant energy
λ
distribution Q (λ) in the case of a pulsed laser.
λ
See Figure 1.
NOTE For choosing of the integration limits λ and λ see 6.2.2.
min max
3.10
RMS spectral bandwidth
∆λ
rms
rms bandwidth is defined by:
ii=
max
I()λλ−
∑ ii
ii=
min
∆=λ
rms
ii=
max
I
∑ i
ii=
min
where
λ is the wavelength of the ith spectral line or the ith mode;
i
I is the relative radiant power of the ith spectral line or the ith mode;
i
λ is the central wavelength;
i , i denote extreme spectral lines or modes below and above λ
min max p
See Figure 1.
NOTE 1 Usually, the summation limits are chosen such that the relative radiant power of spectral lines outside the
limits remains less than 1 % of the relative radiant power of the strongest line, located at λ .
p
NOTE 2 This definition is particularly useful in the case of a multi-mode laser.
4 © ISO 2004 – All rights reserved

3.11
spectral bandwidth
FWHM
∆λ
H
maximum difference between the wavelengths fo
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 13695
Première édition
2004-06-01
Optique et photonique — Lasers et
équipement associé aux lasers —
Méthodes d'essai des caractéristiques
spectrales des lasers
Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test
methods for the spectral characteristics of lasers

Numéro de référence
©
ISO 2004
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Version française parue en 2005
Publié en Suisse
ii © ISO 2004 – Tous droits réservés

Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives. 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles (et abréviations) . 9
5 Traçabilité. 10
6 Mesurage de longueur d’onde et de bandes spectrales. 10
6.1 Généralités. 10
6.2 Types de mesurages. 11
6.3 Choix de l’équipement. 12
6.4 Mesurages dans l’air. 12
6.5 Mesurages à faible résolution . 14
6.6 Mesurage à plus haute résolution. 15
7 Mesurage de la stabilité en longueur d’onde.19
7.1 Dépendance de la longueur d’onde aux conditions de fonctionnement . 19
7.2 Stabilité en longueur d’onde d’un laser monofréquence . 19
8 Rapport d’essai. 19
Annexe A (informative) Indice de réfraction de l'air. 22
Annexe B (informative) Critères pour le choix d'un monochromateur à réseau et ses
accessoires — Étalonnage. 23
Annexe C (informative) Critères pour le choix d'un interféromètre de Fabry-Pérot. 26
Bibliographie . 27

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 13695 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-comité SC 9,
Systèmes électro-optiques.
iv © ISO 2004 – Tous droits réservés

Introduction
Les caractéristiques spectrales d’un laser, telles que sa longueur d’onde au sommet de l’émission ou sa
largeur de raie spectrale, sont importantes pour les applications potentielles. A titre d’exemples, citons les
exigences d’applications spécifiques dans les domaines de l’interférométrie et de la lithographie. Le présent
document donne des définitions de paramètres clés décrivant les caractéristiques spectrales d’un laser et
fournit des lignes directrices concernant la réalisation de mesurages destinés à déterminer lesdits paramètres
pour les types de lasers communs.
Le degré d’incertitude acceptable dans le mesurage de la longueur d’onde varie en fonction de l’application
envisagée. Pour cette raison, le choix de l’équipement, le mesurage et les procédures d’évaluation sont
indiqués, dans leurs grandes lignes, pour trois classes d’exactitude. Afin de normaliser les rapports de
consignation des résultats de mesurage des caractéristiques spectrales, un exemple de rapport est
également prévu.
NORME INTERNATIONALE ISO 13695:2004(F)

Optique et photonique — Lasers et équipement associé aux
lasers — Méthodes d'essai des caractéristiques spectrales des
lasers
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale spécifie des méthodes qui permettent de mesurer les caractéristiques
spectrales, telles que la longueur d’onde, la largeur spectrale, la distribution spectrale et la stabilité en
longueur d’onde d’un laser. La présente Norme internationale s’applique aux faisceaux laser continu et
impulsionnel. La dépendance des caractéristiques spectrales d’un laser vis-à-vis de ses conditions de
fonctionnement peut être également importante.
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, Optique et instruments d'optique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et
symboles
ISO 12005, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai des paramètres des faisceaux
laser — Polarisation
CEI 60747-5-1, Dispositifs discrets à semi-conducteurs et circuits intégrés — Partie 5-1: Dispositifs
optoélectroniques — Généralités
1) 2) 3) 4)
Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure (GUM). BIPM , CEI, FICC , ISO, OIML , UICPA ,
5)
UIPPA , 1995
Vocabulaire international des termes fondamentaux et généraux de métrologie (VIM). BIPM, CEI, FICC, ISO,
OIML, UICPA, UIPPA; Genève, ISO, 1993
3 Termes et définitions
Pour les besoins de la présente Norme internationale, les termes et définitions données dans le VIM, de
l’ISO 11145 et de la CEI 60747-5-1, ainsi que les suivants, s’appliquent.

1) Bureau International des Poids et Mesures
2) Fédération Internationale de Chimie Clinique
3) Organisation Internationale de Métrologie Légale
4) Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée
5) Union Internationale de Physique Pure et Appliquée
3.1
longueur d’onde dans le vide
λ
longueur d’onde d’une onde électromagnétique infinie, plane et se propageant dans le vide
NOTE Pour une onde de fréquence f, la longueur d’onde dans le vide est donnée par l’équation λ = c/f, où
c = 299 792 458 m/s.
3.2
longueur d’onde dans l’air
λ
air
longueur d’onde d’un rayonnement se propageant dans l’air et rapportée à la longueur d’onde dans le vide par
la relation:
λλ= / n
air 0 air
où n représente l’indice de réfraction de l’air ambiant (voir 6.4)
air
NOTE Les propriétés spécifiques de l’air ambiant, telles que l’humidité, la pression, la température et la composition
de l’air, ont toutes une influence sur n . Pour cette raison, il est préférable d’indiquer dans le rapport la longueur d’onde
air
dans le vide ou la longueur d’onde dans l’air aux conditions normales. Ces longueurs d’onde peuvent être calculées à
partir de λ et n en utilisant la formule donnée en 6.4.
air air
3.3
longueur d’onde dans l’air sec et dans des conditions normales
λ
nor
longueur d’onde d’un rayonnement se propageant dans l’air sec (0 % d’humidité), dans des conditions
normales et rapportée à la longueur d’onde dans le vide λ par la relation
λλ= / n
nor 0 nor
où n représente l’indice de réfraction de l’air dans des conditions normales (voir 6.4)
nor
NOTE Pour les besoins de la présente Norme internationale, les conditions normales de l’air correspondent à la
définition donnée en 6.4. Il convient de noter que les articles rédigés en la matière font référence à diverses autres
«conditions normales». Il est donc nécessaire de préciser les conditions atmosphériques dans le rapport d’essai.
3.4
distribution spectrale de puissance (énergie) rayonnante
P (λ), [Q (λ)]
λ λ
rapport de la puissance rayonnante dP(λ) [ou de l’énergie dQ(λ), dans le cas de laser impulsionnel], transmise
par le faisceau laser dans le domaine élémentaire de la longueur d’onde dλ, à ce domaine

dP λ dQ()λ
( )
Q λ =
P ()λ = ()

λ λ
dλ dλ


NOTE La puissance (énergie) rayonnante émise par le faisceau laser, quelle que soit la largeur spectrale λ à
basse
λ , est donc donnée par l’intégrale.
haute
λ λ
haute  haute 
PP= ()λ dλ QQ= ()λ dλ
λ λ
 
∫ ∫
λ λ
basse  basse 
3.5
longueur d’onde de crête de l’émission
λ
p
longueur d’onde à laquelle la distribution spectrale de puissance (énergie) rayonnante atteint sa valeur
maximale
2 © ISO 2004 – Tous droits réservés

Voir Figure 1.
3.6
barycentre de la longueur d’onde (moment de premier ordre)
λ
g
longueur d’onde représentant le centre de gravité de la distribution spectrale de puissance (énergie)
rayonnante, telle que définie par
λ
max
λ Sλλd
()
∫
λ
min
λ =
g
λ
max
S λ dλ
()
∫
λ
min
où S(h) est la puissance rayonnante spectrale P (λ), dans le cas d’un laser continu, ou la distribution spectrale
λ
d’énergie rayonnante Q (λ), dans le cas d’un laser impulsionnel
λ
Voir Figure 1.
NOTE Pour le choix des limites d'intégration λ et λ , voir 6.2.2.
min max
3.7
longueur d’onde centrale
λ
moyenne pondérée des longueurs d’onde des raies ou modes spectraux:
ii=
max
I λ
∑ ii
ii=
min
λ =
ii=
max
I
i
∑
ii=
min
où
ième ième
λ est la longueur d’onde de la i raie spectrale ou du i mode;
i
ième ième
I est la puissance rayonnante relative de la i raie spectrale ou du i mode;
i
i , i représentent les valeurs extrêmes des raies ou modes spectraux en dessous et au-dessus
min max
de λ .
p
NOTE 1 Généralement, les limites de sommation sont choisies de sorte que la puissance rayonnante relative des raies
ou modes spectraux hors limites demeure inférieure à 1 % de la puissance rayonnante relative de la raie ou du mode dont
l’intensité est la plus élevée, située à λ .

p
NOTE 2 Cette définition est particulièrement utile dans le cas de laser multimode.
3.8
longueur d’onde moyenne
λ
moy
rapport de la vitesse de la lumière c à la fréquence d’émission optique moyenne f
moy
λ = c/f
moy moy
NOTE La fréquence d’émission optique moyenne f peut être directement mesurée, par exemple par la méthode
moy
de mesurage hétérodyne (voir 6.6.5).
...