ISO 13694:2015
(Main)Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam power (energy) density distribution
Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam power (energy) density distribution
ISO 13694:2015 specifies methods by which the measurement of power [energy] density distribution is made and defines parameters for the characterization of the spatial properties of laser power [energy] density distribution functions at a given plane. The methods given in this International Standard are intended to be used for the testing and characterization of both continuous wave (cw) and pulsed laser beams used in optics and optical instruments.
Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai de distribution de la densité de puissance (d'énergie) du faisceau laser
ISO 13694:2015 spécifie des méthodes permettant de procéder au mesurage de la distribution de densité de puissance [d'énergie] et définit les paramètres de caractérisation des propriétés spatiales des fonctions de distribution de densité de puissance [d'énergie] laser dans un plan donné. Les méthodes d'essai données dans la présente Norme internationale sont destinées à être utilisées dans le cadre des essais (cw) et de la caractérisation des faisceaux laser continus et impulsionnels.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13694
Second edition
2015-11-15
Optics and photonics — Lasers and
laser-related equipment — Test
methods for laser beam power
(energy) density distribution
Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux
lasers — Méthodes d’essai de distribution de la densité de puissance
(d’énergie) du faisceau laser
Reference number
ISO 13694:2015(E)
©
ISO 2015
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ISO 13694:2015(E)
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ISO 13694:2015(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
3.1 Measured quantities . 1
3.2 Characterizing parameters . 3
4 Coordinate system . 6
5 Characterizing parameters derived from the measured spatial distribution .7
6 Test principle . 7
7 Measurement arrangement and test equipment . 7
7.1 General . 7
7.2 Preparation . 7
7.3 Control of environment . 8
7.4 Detector system . 8
7.5 Beam-forming optics, optical attenuators, and beam splitters . 8
8 Test procedure . 9
8.1 Equipment preparation . 9
8.2 Detector calibration procedure . 9
8.2.1 Spatial calibration . 9
8.2.2 Power [energy] calibration . 9
8.3 Data recording and noise correction .10
8.3.1 General.10
8.3.2 Correction by background-map subtraction .10
8.3.3 Correction by average background subtraction.11
9 Evaluation .11
9.1 Choice and optimization of integration limits .11
9.2 Control and optimization of background corrections .11
10 Test report .12
Annex A (informative) Test report .13
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ISO 13694:2015(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical
Barriers to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information
The committee responsible for this document is ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee SC 9,
Electro-optical systems.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 13694:2000), which has been technically
revised with the following changes:
a) the definition of power density distribution E (x, y, z) has been revised, a definition of the power
density E (x , y , z) has been added;
0 0
b) the definition of energy density distribution H (x, y, z) has been revised, a definition of the energy
density H (x , y , z) has been added;
0 0
c) the term “threshold power [energy] density” has been replaced by “clip-level power [energy]
density”. The index “T” indicating “threshold” has been replaced by “CL” accordingly;
d) the term “effective power [energy]” has been replaced by “clip-level power [energy]”;
e) in 3.2.5, the formula for beam ellipticity has been revised;
f) the term “effective irradiation area” has been replaced by “clip-level irradiation area”;
g) the notation Ez() [Hz() ] indicating the clip-level average power [energy] density has been
η η
replaced by Ez() , [Hz() ];
ηave ηave
h) Figure 1 has been revised taking into account the items a) and g) of this list.
It also incorporates the corrigendum ISO 13694:2000/Cor 1:2005.
iv © ISO 2015 – All rights reserved
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ISO 13694:2015(E)
Introduction
Many applications of lasers involve using the near-field as well as the far-field power [energy] density
distribution of the beam. The power [energy] density distribution of a laser beam is characterized
by the spatial distribution of irradiant power [energy] density with lateral displacement in a
particular plane perpendicular to the direction of propagation. In general, the power [energy] density
distribution of the beam changes along the direction of propagation. Depending on the power [energy],
size, wavelength, polarization, and coherence of the beam, different methods of measurement are
applicable in different situations. Five methods are commonly used: camera arrays (1D and 2D),
apertures, pinholes, slits, and knife edges.
This International Standard provides definitions of terms and symbols to be used in referring to power
density distribution, as well as requirements for its measurement. For pulsed lasers, the distribution of
time-integrated power density (i.e. energy density) is the quantity most often measured.
According to ISO 11145, it is possible to use two different definitions for describing and measuring
the laser beam diameter. One definition is based on the measurement of the encircled power [energy];
the other is based on determining the spatial moments of the power [energy] density distribution of
the laser beam.
The use of spatial moments is necessary for calculating the beam propagation factor, K, and the
2
beam propagation ratio, M , from measurements of the beam widths at different distances along the
propagation axis. ISO 11146 describes this measurement procedure. For other applications, other
definitions for the beam diameter can be used. For some quantities used in this International Standard,
the first definition (encircled power [energy]) is more appropriate and easier to use.
The International Organization for Standardization (ISO) draws attention to the fact that it is claimed
that compliance with this document can involve the use of patents concerning the inclusion of negative
noise values in background evaluation of CCD camera images as described in 8.3.2.
ISO takes no position concerning the evidence, validity, and scope of this patent right.
The holder of this patent right (U.S. No. 5,418,562 and 5,440,562, and PCT WO 94/27401) has assured
ISO that they are willing to negotiate licenses 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 ISO. Information can be obtained from:
Spiricon Inc.
Laser Beam Diagnostics
2600 North Main
Logan, UT 84341
USA
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 13694:2015(E)
Optics and photonics — Lasers and laser-related
equipment — Test methods for laser beam power (energy)
density distribution
1 Scope
This International Standard specifies methods by which the measurement of power [energy] density
distribution is made and defines parameters for the characterization of the spatial properties of laser
power [energy] density distribution functions at a given plane.
The methods given in this International Standard are intended to be used for the testing and
characterization of both continuous wave (cw) and pulsed laser beams used in optics and optical
instruments.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 11145, Optics and photonics — Laser and laser-related equipment — Vocabulary and symbols
ISO 11146 (all parts), Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam widths, divergence
angles and beam propagation ratios
ISO 11554, Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam
power, energy and temporal characteristics
IEC 61040, 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 and IEC 61040 and the
following apply.
3.1 Measured quantities
3.1.1
power density distribution
Ex(, yz,)
set of all power densities at location z of a certain CW beam with non-negative values for all transverse
coordinates (x,y)
3.1.1.1
power density
Ex(, yz,)
00
part of the beam power at location z which impinges on the area δA at the location (x , y ) divided by
0 0
the area δ A (δ A→ 0 )
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ISO 13694:2015(E)
3.1.2
energy density distribution
Hx(, yz,)
set of all energy densities at location z of a certain pulsed beam with non-negative values for all
transverse coordinates (x, y)
Hx(, yz,)= Ex(, yz,)dt
∫
3.1.2.1
energy density
Hx(, yz,)
00
〈 pulsed laser beam〉 part of the beam energy (time-integrated power) at location z which impinges on
the area δA at the location (x , y ) divided by the area δ A (δ A→ 0 )
0 0
Hx(, yz,)= Ex(, yz,)dt
00 00
∫
3.1.3
power
Pz()
power in a continuous wave (cw) beam at location z
Pz()= Ex(, yz,)ddxy
∫∫
3.1.4
pulse energy
Qz()
energy in a pulsed beam at location z
Qz()= Hx(, yz,)ddxy
∫∫
3.1.5
maximum power [energy] density
Ez() [Hz() ]
max max
maximum of the spatial power [energy] density distribution functionEx(, yz,) [Hx(, yz,) ] at location z
3.1.6
location of the maximum
(,xy ,)z
maxmax
location of Ez() or Hz() in the xy plane at location z
max max
Note 1 to entry: (,xy ,)z cannot be uniquely defined when measuring with detectors having a high
maxmax
spatial resolution and a relatively small dynamic range.
3.1.7
clip-level power [energy] density
Ez() [Hz() ]
ηCL ηCL
fraction η of the maximum power [energy] density (3.1.5) at location z
Ez()=ηEz()
ηCL max
Hz()=ηHz()
ηCL max
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ISO 13694:2015(E)
01≤<η
Note 1 to entry: Notations E or H and the names threshold power [energy] density, respectively, can be used
ηT ηT
instead of E or H and the names clip-level power [energy] density, respectively, when E or H is just greater
ηCL ηCL ηCL ηCL
than detector background noise peaks at the time of measurement. 8.3 describes background noise subtraction
methods used to determine detector zero levels. Circumstances such as the application involved, distribution type,
detector sensitivity, linearity, saturation, baseline, offset level, etc., can also dictate the choice of η.
Note 2 to entry: When no confusion is possible, the explicit dependence on z is dropped in the text description
using some quantities, but not in the definitions or in the equations involving the quantities.
3.2 Characterizing parameters
3.2.1
clip-level power [energy]
Pz() [Qz() ]
η η
Pz() [Qz() ] evaluated by summing only over locations (x,y) for which Ex(, yz,)> Ez()
ηCL
[(Hx,,yz)(> Hz)]
ηCL
3.2.2
fractional power [energy]
fz()
η
fraction of the clip-level power [energy] (3.2.1) for a given η to the total power [energy] in the distribution
at location z
Pz()
η
fz()= for cw-beams;
η
Pz()
Qz()
η
fz()= for pulsed beams;
η
Qz()
01≤≤fz()
η
3.2.3
centre of gravity
centroid position
xz(),(yz)
()
first-order moments of a power[energy] distribution at location z
Note 1 to entry: For a more detailed definition, see ISO 11145 and ISO 11146.
3.2.4
beam widths
dz() , dz()
σx σ y
widths dz() and dz() of the beam in the x and y directions at z, equal to four times the square root
σx σ y
of the second linear moments of the power [energy] density distribution about the centroid
Note 1 to entry: For a more detailed definition, see ISO 11145 and ISO 11146.
Note 2 to entry: The provisions of ISO 11146 apply to definitions and measurements of:
a) second moment beam widths d and d ;
σx σy
b) beam widths d and d in terms of the smallest centred slit width that transmits u % of the total power
x,u y,u
[energy] density (usually u = 86,5);
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ISO 13694:2015(E)
c) scanning narrow slit measurements of beam widths d and d in terms of the separation between positions
x,s y,s
where the transmitted power density (3.1.1.1) is reduced to 0,135 E ;
p,
d) measurements of beam widths d and d in terms of the separation between 0,84 P and 0,16 P obscuration
x,k y,k
positions of a movable knife-edge, where P is the maximum, unobstructed power recorded by the large area
detector behind the knife-edge plane;
e) correlation factors which relate these different definitions and methods for measuring beam widths.
3.2.5
beam ellipticity
ε()z
parameter for quantifying the circularity or squareness of a power [energy] density distribution at z
dz()
σ y
ε()z =
dz()
σx
Note 1 to entry: The direction of x is chosen to be along the major axis of the distribution so dd≥ .
σσxy
Note 2 to entry: If ε≥08, 7 , elliptical distributions can be regarded as circular. In case of a rectangular beam
profile, ellipticity is often referred to as aspect ratio.
Note 3 to entry: Technically identical with ISO 11145 and ISO 11146-1.
3.2.6
beam cross-sectional area
Az()
σ
2
Ad=π /4 for beam with circular cross-section;
σσ
Ad= π / 4 d for beam with elliptical cross-section.
()
σσxyσ
3.2.7
clip-level irradiation area
i
Az()
η
irradiation area at location z for which the power [energy] density exceeds the clip-level power [energy]
density (3.1.7)
Note 1 to entry: To allow for distributions of all forms, for example hollow “donut” types, the clip-level irradiation
area is not defined in terms of the beam widths (3.2.4) d or d .
σx σy
Note 2 to entry: See clip-level power [energy] density (3.1.7).
3.2.8
clip-level average power [energy] density
Ez() , [Hz() ]
ηave ηave
spatially averaged power [energy] density of the distribution at location z, defined as the weighted mean:
Pz()
η
Ez()= for cw-beams;
ηave
i
Az()
η
Qz()
η
Hz()= for pulsed beams
ηave
i
Az()
η
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ISO 13694:2015(E)
Note 1 to entry: Ez() and Ez() (see 3.1.7) refer to different parameters.
ηave ηCL
3.2.9
flatness factor
Fz()
η
ratio of the clip-level average power [energy] density to the maximum power [energy] density of the
distribution at location z
Ez()
ηave
Fz()= for cw-beams;
η
Ez()
max
Hz()
ηave
Fz()= for pulsed beams
η
Hz()
max
01<≤F
η
Note 1 to entry: For a power [energy] density distribution having a perfectly flat top F = 1 .
η
3.2.10
beam uniformity
Uz()
η
normalized root mean square (r.m.s.) deviation of power [energy] density distribution from its clip-
level average value at location z
2
11
Uz() = Ex,,yz −Ez() ddxy for cw-beams;
()
η ηave
∫∫
i
Ez()
Az()
ηave
η
2
11
Uz() = Hx,,yz −Hz() ddxy for pulsed beams
()
η ∫∫ ηave
i
Hz()
Az()
ηave
η
Note 1 to entry: U = 0 indicates a completely uniform distribution having a profile with a flat top and vertical
η
edges, U is expressed as either a fraction or a percentage.
η
Note 2 to entry: By using integration over the beam area between set clip-level limits, this definition allows for
arbitrarily shaped beam footprints to be quantified in terms of their uniformity. Hence uniformity measurements
can be made for different fractions of the total beam power [energy] without specifically defining a windowing
aperture or referring to the shape or size of the distribution. Thus using the formulae in 3.2.2 and 3.2.10,
statements such as: “Using a setting η = 0,3, 85 % of the beam power [energy] was found to have a uniformity of
±4,5 % r.m.s. from its mean value at z” can be made without reference to the distribution shape, size, etc.
3.2.11
plateau uniformity
Uz()
p
〈 for distributions having a nearly flat-top profile〉
ΔE
FWHM
Uz()= for cw-beams;
p
E
max
ΔH
FWHM
Uz()= for pulsed beams
p
H
max
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ISO 13694:2015(E)
where ΔE [ΔH ] is the full-width at half-maximum (FWHM) of the peak near E [H ]
FWHM FWHM max max
of the power [energy] density histogram N(E ) [N(H )], i.e. the number of (x, y) locations at
i i
which a given power [energy] density E [H ] is recorded
i i
Note 1 to entry: 01<
p p
3.2.12
edge steepness
sz()
ηε,
i i
normalized difference between clip-level irradiation areas (3.2.7) Az() and Az() with clip-level power
η ε
[energy] density (3.1.7) values above η E (z) [η H (z)] and above ε E (z) [ε H (z)] respectively
max max max max
ii
Az()− Az()
ηε
sz()=
ηε,
i
Az()
η
01≤<ηε <
01<
ηε,
Note 1 to entry: sz()→ 0 as the edges of the distribution become more vertical.
ηε,
Note 2 to entry: η is typically set to 10 %, ε to 90 % of the maximum power (energy) density.
i
Note 3 to entry: Parameters E , E , P , A , F , and U , are illustrated in Figure 1 for a uniform power density
max ηave η η η
η
distribution (3.1.1) in one dimension.
Figure 1 — Illustration for a uniform power density distribution E(x) in one dimension
4 Coordinate system
The x, y, z Cartesian axes define the orthogonal space directions in the beam axes system. The x and
y axes are transverse to the beam and define the transverse plane. The beam propagates along the
z axis. The origin of the z axis is in a reference xy plane defined by laser manufacturer, e.g. the front of
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ISO 13694:2015(E)
the laser enclosure. For elliptical beams, the principal axes of the distribution coincide with the x and y
axes, respectively. In cases for which the principal axes of the distribution are rotated with respect to
the laboratory coordinate system, the provisions of ISO 11146 describing coordinate rotation through
an azimuth angle ϕ into the laboratory system shall apply.
5 Characterizing parameters derived from the measured spatial distribution
In definitions 3.2.1 to 3.2.12, summation integrals shall be computed over all locations (x,y) for which
Ex(, yz,)> Ez() or Hx(, yz,)> Hz(). This clipping procedure for truncating summation
ηCL ηCL
integrals is different from the 99 % power [energy] spatial aperture truncation method used for
calculating second-moment beam widths in ISO 11146. Before using a clipping procedure, it is necessary
to apply proper background subtraction to the measured signal. According to the note in 3.1.7, usually
the value of η is chosen such that E (or H ) is just greater than detector background noise peaks at
ηCL ηCL
the time of measurements.
NOTE Since practical laser beams have a finite lateral size and detectors, which measure their power density
distribution, a finite spatial resolution, definitions in this International Standard used for computations should
more precisely contain discrete finite sums rather than continuous integrals. Finite integrals are used because
they have a more compact form than summations and it is common practice to do so. For further information on
the choice of practical integration limits, refer to 9.1.
6 Test principle
First the power [energy] density distribution Ex(, yz,) [Hx(, yz,) ] at the location z is measured by
positioning a spatially resolving detector of irradiance [fluence] directly in the beam. The detector plane
is either placed directly at z normal to the beam propagation direction or a suitable optical imaging
system is used to relay the plane at z onto the detector. A stationary power [energy] density distribution
is required to be measured. For lasers with temporally fluctuating parameters that characterize the
beam power [energy] density distribution are then calculated from definitions given in 3.2.
7 Measurement arrangement and test equipment
7.1 General
For measuring the power [energy] density distribution of laser beams, any measuring device can be
used which provides high spatial resolution and high dynamic range.
Methods commonly used to quantify laser beam power [energy] density distributions include 1D and 2D
matrix camera arrays, single- and dual-axis scanning pinholes, single-axis scanning slits or knife edges,
transmission through variable apertures (power-in-a-bucket measurements) and 2D densitometry by
reflectance, fluorescence, phosphorescence, and film exposure.
7.2 Preparation
The laser beam and the optical axis of the measuring system should be coaxial. Suitable optical
alignment devices are available for this purpose. Any pointing variations of the beam during the
measurements period shall be verified not to affect the accuracy required of the measurement.
Optical elements such as beam splitters, attenuators, relay lenses shall be mounted such that the optical
axis runs through their geometric centres. Care should be taken to avoid systematic errors. Reflections,
external ambient light, thermal radiation, or air draughts are all potential sources of error.
The field of view of the optical system shall be such that it accommodates the entire cross-section of
the laser beam. Clipping or diffraction loss shall be smaller than 1 % of the total beam power or energy.
After the initial preparation is complete, an evaluation to determine if the entire laser beam reaches the
detector surface shall be made. For testing this, apertures of different diameters can be introduced into
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ISO 13694:2015(E)
the beam path in front of each optical component as well as the detector itself. The aperture which reduces
the laser power by 5 % should have a diameter less than 0,8 times the aperture of the optical component.
7.3 Control of environment
Suitable measures, such as mechanical and acoustical isolation of the test set-up, shielding from
extraneous radiation, temperature stabilization of the laboratory, choice of low-noise amplifiers, shall be
taken to ensure that the contribution to the total probable error in the parameter to be measured is low.
Care should be taken to ensure that the atmospheric environment in high power [energy] laser beam
paths does not contain gases or vapours that can absorb the laser radiation and cause thermal distortion
to the beam power [energy] density distribution that is being measured.
7.4 Detector system
Measuring parameters of the power [energy] density distribution requires the use of a power
[energy] meter having a high spatial resolution and signal-to-noise ratio for detecting radiation at
the laser wavelength. The accuracy of the measurement is directly related to the spatial resolution of
the detector system and its signal-to-noise ratio. The following points shall be observed and, where
appropriate, recorded.
— The saturation level, the signal-to-noise ratio and the linearity of the detector system to the input
laser power [energy] shall be determined from manufacturers’ data or by measurement at the
wavelength of the laser to be characterized. Any wavelength dependency, non-linearity, or non-
uniformity of the detector locally or across its aperture shall be minimized or corrected by use of a
calibration procedure.
— The dynamic range of the sensor shall be greater than 100:1.
— To provide adequate spatial resolution, more than 2 500 spatially non-overlapping (x,y) data points
shall register a signal.
— Care shall be taken to ascertain the power [en
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 13694
Deuxième édition
2015-11-15
Optique et photonique — Lasers et
équipements associés aux lasers —
Méthodes d’essai de distribution de
la densité de puissance (d’énergie) du
faisceau laser
Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test
methods for laser beam power (energy) density distribution
Numéro de référence
ISO 13694:2015(F)
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ISO 2015
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
3.1 Grandeurs mesurées . 1
3.2 Paramètres de caractérisation . 3
4 Système de coordonnées . 7
5 Paramètres de caractérisation dérivés de la distribution spatiale mesurée .7
6 Principe d’essai . 7
7 Dispositif de mesurage et équipement d’essai. 7
7.1 Généralités . 7
7.2 Préparation . 8
7.3 Contrôle de l’environnement . 8
7.4 Système de détection . 8
7.5 Instruments d’optique formant le faisceau, atténuateurs optiques et séparateurs
de faisceaux . 9
8 Mode opératoire d’essai. 9
8.1 Préparation de l’équipement . 9
8.2 Mode opératoire d’étalonnage du détecteur .10
8.2.1 Étalonnage spatial .10
8.2.2 Étalonnage de la puissance [de l’énergie] .10
8.3 Enregistrement des données et correction du bruit .10
8.3.1 Généralités .10
8.3.2 Correction par soustraction de la carte du bruit de fond .11
8.3.3 Correction par soustraction du bruit de fond moyen .11
9 Évaluation .12
9.1 Choix et optimisation des limites d’intégration.12
9.2 Contrôle et optimisation des corrections du bruit de fond .12
10 Rapport d’essai .12
Annexe A (informative) Rapport d’essai .13
© ISO 2015 – Tous droits réservés iii
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ISO 13694:2015(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
L’attention est 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. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer
un engagement.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à
l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes
de l’OMC concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: Avant-propos —
Informations supplémentaires.
Le comité technique responsable de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 172, Optique et
photonique, sous-comité SC 9, Systèmes électro-optiques.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 13694:2000), qui a été
techniquement révisée avec les modifications suivantes:
a) la définition de la distribution de la densité de puissance E (x, y, z) a été révisée, une définition de la
densité de puissance sur un axe E (x , y , z) a été ajoutée;
0 0
b) la définition de la distribution de la densité d’énergie H (x, y, z) sur un axe, a été révisée, une
définition de la densité d’énergie sur un axe H (x , y , z) a été ajoutée;
0 0
c) Le terme « densité de puissance [d’énergie] seuil » a été remplacé par « densité de puissance
[d’énergie] d’écrêtage ». L’indice « T » représentant « seuil » a été remplacé en conséquence par « CL »;
d) Le terme « puissance [énergie] effective » a été remplacé par « densité de puissance [d’énergie]
d’écrêtage »;
e) En 3.2.5, la formule pour l’ellipticité du faisceau a été révisée;
f) Le terme « surface de rayonnement effective » a été remplacé par « surface de rayonnement
d’écrêtage »;
g) La notation Ez() [Hz() ] indiquant la densité de puissance [d’énergie] d’écrêtage moyenne a été
η η
remplacée Ez() , [Hz()];
ηave ηave
h) La Figure 1 a été révisée en tenant compte les points a) et g) de cette liste.
Elle intègre également le Rectificatif technique ISO 13694:2000/Cor 1:2005.
iv © ISO 2015 – Tous droits réservés
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ISO 13694:2015(F)
Introduction
De nombreuses applications de la technologie laser impliquent l’utilisation de la distribution de densité
de puissance [d’énergie] du faisceau en champ proche ainsi qu’en champ lointain. La distribution de
la densité de puissance [d’énergie] d’un faisceau laser se caractérise par la distribution spatiale d’une
densité de puissance [d’énergie] de rayonnement, avec un déplacement latéral dans un plan particulier
perpendiculaire à la direction de propagation. En général, la distribution de la densité de puissance
[d’énergie] du faisceau change le long de l’axe de la propagation. Selon la puissance [l’énergie], la taille,
la longueur d’onde, la polarisation et la cohérence du faisceau, il est possible d’appliquer différentes
méthodes de mesure en fonction de la situation. Les cinq méthodes les plus couramment utilisées sont:
le réseau de récepteurs pour chambre photographique (1D et 2D), les ouvertures, les trous d’aiguille, les
fentes et les lames mobiles.
La Norme internationale donne des définitions de la terminologie et des symboles devant être utilisés
dans le cadre de la distribution de la densité de puissance, ainsi que les spécifications relatives au
mesurage de cette distribution. Pour les lasers impulsionnels, la distribution de la densité de puissance
intégrée sur le temps (c’est-à-dire la densité d’énergie) représente la grandeur la plus souvent mesurée.
Selon l’ISO 11145, il est possible d’utiliser deux définitions pour définir et mesurer le diamètre du
faisceau laser. L’une de ces définitions est fondée sur le mesurage de la puissance [l’énergie] transmise
par une ouverture circulaire, l’autre est basée sur la détermination des moments spatiaux de la
distribution de densité de puissance [d’énergie] du faisceau laser.
L’utilisation de moments spatiaux est nécessaire pour calculer le facteur de propagation du faisceau
2
K et le rapport de propagation du faisceau M à partir des mesurages des largeurs des faisceaux à des
distances différentes, le long de l’axe de propagation. L’ISO 11146 est la norme appropriée car elle
décrit le mode opératoire de mesurage. Pour les autres applications, d’autres définitions peuvent être
utilisées pour le diamètre du faisceau. Pour certaines des grandeurs utilisées dans la présente Norme
internationale, la première définition (puissance [énergie] transmise par une ouverture circulaire) est
plus adaptée et plus facile à utiliser.
L’Organisation internationale de normalisation (ISO) attire l’attention sur le fait qu’une déclaration de
conformité au présent document peut impliquer l’utilisation de brevets d’invention pour ce qui concerne
l’inclusion de valeurs de bruit négatives dans l’évaluation du bruit de fond des images de caméras CCD
décrite en 8.3.2.
L’ISO ne prend aucune position quant aux preuves, à la validité et à l’objet de ces droits de propriété
intellectuelle.
Le détenteur des droits (U.S. No. 5,418,562 et 5,440,562, et PCT WO 94/27401) a assuré l’ISO de sa
volonté de négocier des licences dans des conditions raisonnables et non discriminatoires avec les
déposants éventuels du monde entier. La déclaration du détenteur des droits de propriété intellectuelle
à cet égard est enregistrée à l’ISO. Des informations peuvent être obtenues auprès de:
Spiricon Inc.
Laser Beam Diagnostics
2600 North Main
Logan, UT 84341
États-Unis d’Amérique
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NORME INTERNATIONALE ISO 13694:2015(F)
Optique et photonique — Lasers et équipements associés
aux lasers — Méthodes d’essai de distribution de la densité
de puissance (d’énergie) du faisceau laser
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale spécifie des méthodes permettant de procéder au mesurage de la
distribution de densité de puissance [d’énergie] et définit les paramètres de caractérisation des propriétés
spatiales des fonctions de distribution de densité de puissance [d’énergie] laser dans un plan donné.
Les méthodes d’essai données dans la présente Norme internationale sont destinées à être utilisées
dans le cadre des essais (cw) et de la caractérisation des faisceaux laser continus et impulsionnels.
2 Références normatives
Les documents suivants, en totalité ou en partie, sont référencés de manière normative dans le présent
document et sont indispensables à son application. Pour les références datées, seule l’édition citée
s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y
compris les éventuels amendements).
ISO 11145, Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et symboles
ISO 11146 (toutes les parties), Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d’essai des largeurs
du faisceau, angles de divergence et facteurs de limite de diffraction
ISO 11554, 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
IEC 61040, 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 et la IEC 61040,
ainsi que les termes et définitions suivants s’appliquent.
3.1 Grandeurs mesurées
3.1.1
densité de puissance
Ex(, yz,)
ensemble de toutes les densités de puissance à la cote z d’un faisceau d’onde continu donné ayant des
valeurs non négatives pour toutes les coordonnées transversales (x, y)
3.1.1.1
densité de puissance sur un axe
Ex(, yz,)
00
partie de la puissance d’un faisceau, à la cote z, en contact avec la surface δA au point (x , y ), divisée par
0 0
la surfaceδ A (δ A→ 0 )
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ISO 13694:2015(F)
3.1.2
densité d’énergie
Hx(, yz,)
ensemble de toutes les densités de puissance à la cote z d’un faisceau pulsé donné ayant des valeurs
positives pour toutes les coordonnées transversales (x, y)
Hx(, yz,)= Ex(, yz,)dt
∫
3.1.2.1
densité d’énergie sur un axe
Hx(, yz,)
00
〈 pour les faisceaux laser impulsionnels〉 partie de l’énergie du faisceau, à la cote z, en contact avec la
surface δA au point (x , y ), divisée par la surfaceδ A (δ A→ 0 )
0 0
Hx(, yz,)= Ex(, yz,)dt
00 00
∫
3.1.3
puissance
Pz()
puissance d’un faisceau d’onde continu (cw) à la cote z
Pz()= Ex(, yz,)ddxy
∫∫
3.1.4
énergie pulsée
Qz()
énergie contenue dans un faisceau impulsionnel à la cote z
Qz()= Hx(, yz,)ddxy
∫∫
3.1.5
densité de puissance [d’énergie] maximale
Ez() [Hz() ]
max max
valeur maximale de la fonction de distribution de la densité de puissance [d’énergie] spatiale E(x, y, z)
[H(x, y, z)] à la cote z
3.1.6
emplacement du maximum
(,xy ,)z
maxmax
emplacement de Ez() ou Hz() dans le plan xy à la cote z
max max
Note 1 à l’article: Une valeur unique peut ne pas être définie pour (,xy ,)z lorsque le mesurage est réalisé
maxmax
au moyen de détecteurs dotés d’une résolution spatiale élevée et d’une plage dynamique relativement réduite.
3.1.7
densité de puissance [d’énergie] d’écrêtage
Ez() [Hz() ]
ηCL ηCL
fraction η de la densité de puissance [d’énergie] maximale (3.1.5) à la cote z
Ez()=ηEz()
ηCL max
Hz()=ηHz()
ηCL max
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ISO 13694:2015(F)
01≤<η
Note 1 à l’article: Les notations E ou H et les noms de densité de puissance [d’énergie] seuil respectivement,
ηT ηT
peuvent être utilisés à la place de E ou H ainsi que les noms de densité de puissance [d’énergie] d’écrêtage,
ηCL ηCL
respectivement, lorsque E ou H est juste supérieure aux crêtes de bruits de fond du détecteur au moment
ηCL ηCL
des mesurages. Les méthodes de soustraction du bruit de fond utilisées pour déterminer les niveaux zéros du
détecteur sont décrites au 8.3. Les circonstances telles que l’application considérée, le type de distribution, la
sensibilité du détecteur, la linéarité, la saturation, la ligne de base, le niveau du décalage, etc., peuvent également
jouer dans le choix de la valeur de η.
Note 2 à l’article: Lorsque aucune confusion n’est possible, la dépendance explicite sur z est fournie dans la
description de texte en utilisant certaines quantités, et ni dans les définitions ni dans les équations portant sur
les quantités.
3.2 Paramètres de caractérisation
3.2.1
puissance [d’énergie] d’écrêtage
Pz() [Qz() ]
η η
Pz() [Qz() ] évalué en additionnant seulement selon (x, y) pour lesquels Ex(, yz,)> Ez()
ηCL
[(Hx,,yz)(> Hz)]
ηCL
3.2.2
puissance [énergie] fractionnelle
fz()
η
rapport entre la puissance [l’énergie] d’écrêtage (3.2.1) pour une valeur η donnée et la puissance
[l’énergie] totale de la distribution à la cote z
Pz()
η
fz()= pour les faisceaux continus;
η
Pz()
Qz()
η
fz()= pour les faisceaux impulsionnels;
η
Qz()
01≤≤fz()
η
3.2.3
centre de gravité
position du centroïde
xz(),(yz)
moments linéaires de premier ordre à la cote z
Note 1 à l’article: Pour une définition détaillée, voir l’ISO 11145 et l’ISO 11146 .
3.2.4
largeurs de faisceau
dz(), dz()
σx σ y
largeurs dz() et dz() du faisceau dans les directions x et y, à la cote z, dont la valeur correspond à
σx σ y
quatre fois la racine carrée des moments linéaires de deuxième ordre de la distribution de la densité de
puissance [d’énergie] autour du centre de gravité
Note 1 à l’article: Pour une définition détaillée, se reporter à l’ISO 11145 et l’ISO 11146.
Note 2 à l’article: Les dispositions de l’ISO 11146 s’appliquent aux définitions et aux mesurages:
a) des largeurs de faisceau dérivées du moment de deuxième ordre d et d ;
σx σy
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ISO 13694:2015(F)
b) des largeurs de faisceau d et d en termes des plus petites largeurs de fente centrées qui transmettent
x,u y,u
u % de la densité de puissance [d’énergie] totale (généralement, u = 86,5);
c) des mesurages des largeurs de faisceau par fentes étroites de balayage d et d en termes de séparation
x,s y,s
entre les positions où la densité de puissance transmise (3.1.1.1) est réduite à 0,135 E ;
p
d) des mesurages des largeurs de faisceau d et d en termes de séparation entre les positions de diaphragme
x,k y,k
0,84 P et 0,16 P d’une lame mobile, où P est la puissance non obstruée, maximale, enregistrée par le détecteur
à surface large derrière le plan de lame;
e) des facteurs de corrélation qui rassemblent ces différentes définitions et méthodes de mesure des
largeurs de faisceau.
3.2.5
ellipticité du faisceau
ε()z
paramètre permettant de quantifier la circularité ou la rectangularité d’une distribution de densité de
puissance [d’énergie] à la cote z
dz()
σ y
ε()z =
dz()
σx
Note 1 à l’article: La direction x est choisie le long de l’axe majeur de la distribution soit d ≥ d .
σx σy
Note 2 à l’article: Si ε ≥ 0,87, les distributions elliptiques peuvent être considérées comme étant de type circulaire.
Dans le cas d’un faisceau rectangulaire, l’ellipticité est souvent désignée sous le nom de rapport.
Note 3 à l’article: Techniquement identique au ISO 11145 et ISO 11146-1.
3.2.6
surface de la section du faisceau
Az()
σ
2
Ad=π /4 pour les faisceaux de section circulaire;
σσ
Ad= π /4 d pour les faisceaux de section elliptique
()
σσxyσ
3.2.7
surface de rayonnement d’écrêtage
i
Az()
η
surface du rayonnement à la cote z pour laquelle la densité de puissance [d’énergie] dépasse le niveau
d’écrêtage de la densité de puissance [d’énergie] (3.1.7)
Note 1 à l’article: Pour permettre tous les types de distribution, par exemple, en « donut », la surface de
rayonnement d’écrêtage n’est pas définie en termes de largeurs de faisceau (3.2.4) d ou d .
σx σy
Note 2 à l’article: Voir densité de puissance [d’énergie] d’écrêtage (3.1.7).
3.2.8
densité de puissance [d’énergie] d’écrêtage moyenne
Ez() , [Hz() ]
ηave ηave
moyenne spatiale de la densité de puissance [d’énergie] de la distribution à la cote z, définie par la
moyenne pondérée:
Pz()
η
Ez()= pour les faisceaux d’onde continus;
ηave
i
Az()
η
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ISO 13694:2015(F)
Qz()
η
Hz()= pour les faisceaux impulsionnels;
ηave
i
Az()
η
Note 1 à l’article: E (z) et E (z) (voir 3.1.7) se réfèrent à différents paramètres.
η ηCL
3.2.9
facteur de planéité
Fz()
η
rapport entre la densité de puissance [d’énergie] d’écrêtage moyenne et la densité de puissance
[d’énergie] maximale de la distribution à la cote z
Ez()
ηave
Fz()= pour les faisceaux d’onde continus;
η
Ez()
max
Hz()
ηave
Fz()= pour les faisceaux impulsionnels;
η
Hz()
max
01<≤F
η
Note 1 à l’article: Pour une distribution de la densité de puissance [d’énergie] ayant un sommet plat parfait, F = 1 .
η
3.2.10
uniformité du faisceau
Uz()
η
écart moyen quadratique normalisé de la distribution de la densité de puissance [d’énergie] par rapport
à sa valeur moyenne d’écrêtage à la cote z
2
11
Uz() = Ex,,yz −Ez() ddxy pour les faisceaux d’onde continus;
()
η ∫∫ ηave
i
Ez()
Az()
ηave
η
2
11
Uz() = Hx,,yz −Hz() ddxy pour les faisceaux impulsionnels
()
η ηave
∫∫
i
Hz()
Az()
ηave
η
Note 1 à l’article: U = 0 indique une distribution complètement uniforme ayant un profil à sommet plat et arêtes
η
verticales, U est exprimé sous forme de fraction ou de pourcentage.
η
Note 2 à l’article: En utilisant l’intégration sur une surface de faisceau comprise dans les limites d’écrêtage fixées,
cette définition permet de quantifier les empreintes de forme arbitraire en termes d’uniformité. Des mesurages
de l’uniformité peuvent par conséquent être réalisés pour différentes fractions de la puissance [l’énergie] totale
du faisceau, sans définir de manière spécifique une fenêtre délimitant l’ouverture ou sans se référer à la forme ou
à la taille de la distribution. Ainsi, en utilisant les équations réalisés en 3.2.2 et 3.2.10, il a été possible d’affirmer
par exemple: «En utilisant un paramètre η = 0,3, 85 %, on constate que 85 % de la puissance [l’énergie] du faisceau
a une uniformité égale à ± 4,5 % de l’écart moyen quadratique par rapport à sa valeur moyenne à la cote z», sans
se référer à la forme, à la taille de la distribution, etc.
3.2.11
uniformité présentant un plateau
Uz()
p
〈 pour les distributions ayant un profil à sommet pratiquement plat〉
ΔE
FWHM
Uz()= pour les faisceaux d’onde continus;
p
E
max
ΔH
FWHM
Uz()= pour les faisceaux impulsionnels;
p
H
max
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ISO 13694:2015(F)
où ΔE [ΔH ] est la largeur totale à mi-hauteur (FWHM) de la crête, proches de E [H ]
FWHM FWHM max max
de l’histogramme de densité de puissance N(E ) [N(H )],à savoir le nombre de points (x, y) auxquels une
i i
densité de puissance [d’énergie] E [H ] donnée est enregistrée
i i
Note 1 à l’article: 01<
p p
plat.
3.2.12
pente de l’arête
sz()
ηε,
i i
différence normalisée entre les surfaces de rayonnement d’écrêtage (3.2.7) Az() et Az() valeurs de
η ε
densité de puissance [d’énergie] d’écrêtage (3.1.7) supérieures à η E (z) [η H (z)] et ε E (z)
max max max
[ε H (z)] respectivement
max
ii
Az()− Az()
ηε
sz()=
ηε,
i
Az()
η
01≤<ηε <
01<
ηε,
Note 1 à l’article: sz()→0 lorsque les arêtes de la distribution tendent vers la verticale.
ηε,
Note 2 à l’article: η est généralement réglée à 10 %, ε à 90 % de la densité de puissance (d’énergie) maximale.
i
Note 3 à l’article: Les paramètres E , E , P , A , F , et U , sont représentés à la Figure 1 pour une distribution
max ηave η η η
η
de densité de puissance (3.1.1) unidimensionnelle.
Figure 1 — Illustration d’une distribution E(x) unidimensionnelle
6 © ISO 2015 – Tous droits réservés
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ISO 13694:2015(F)
4 Système de coordonnées
Les axes cartésiens x, y, z définissent les directions spatiales orthogonales dans le système des axes
du faisceau. Les axes x et y sont perpendiculaires au faisceau et définissent le plan transversal. Le
faisceau se propage le long de l’axe z. L’origine de l’axe z se situe dans un plan de référence xy défini par
le fabricant de laser, par exemple l’avant de l’enceinte laser. Pour les faisceaux elliptiques, les principaux
axes de distribution coïncident respectivement avec les axes x et y. Dans les cas où les principaux axes
de distribution subissent une rotation par rapport au système de coordonnées du laboratoire, les
dispositions de l’ISO 11146, décrivant la rotation des coordonnées selon un angle azimutal ϕ dans le
système du laboratoire, doivent s’appliquer.
5 Paramètres de caractérisation dérivés de la distribution spatiale mesurée
Dans les définitions 3.2.1 à 3.2.12, les intégrales de sommation doivent être calculées pour tous les
points (x, y) pour lesquels Ex(, yz,)> Ez() ou Hx(, yz,)> Hz(). Cette méthode d’écrêtage au
ηCL ηCL
seuil, utilisée pour tronquer les intégrales de sommation, diffère à 99 % de la méthode de troncature de
l’ouverture spatiale de puissance [d’énergie] utilisée pour calculer les largeurs de faisceaux du moment
de deuxième ordre dans l’ISO 11146. Avant d’utiliser une méthode d’écrêtage, il est nécessaire
d’appliquer une soustraction du bruit de fond appropriée au signal mesuré. Selon la note en 3.1.7, la
valeur de η est généralement choisie de sorte que la valeur de E [ou de H ] soit juste supérieure aux
ηCL ηCL
crêtes de bruits de fond du détecteur au moment des mesurages.
NOTE Étant donné que les faisceaux laser pratiques ont une dimension latérale finie et les détecteurs qui
mesurent leur distribution de densité de puissance une résolution spatiale finie, il convient que les définitions
de la présente Norme internationale utilisées pour les calculs contiennent de préférence des sommes finies
discrètes plutôt que des intégrales continues. Les intégrales finies sont utilisées car leur forme est plus concise
que celle des sommes et que leur utilisation est plus courante. Pour plus d’informations relatives au choix des
limites d’intégration pratiques, se référer à 9.1.
6 Principe d’essai
Dans un premier temps, la distribution de densité de puissance [d’énergie] E(x, y, z) [H(x, y, z)] à la cote
z est mesurée en positionnant un détecteur de rayonnement à résolution spatiale [fluence] directement
dans le faisceau. Le plan du détecteur est soit placé directement à la cote z perpendiculairement à la
direction de propagation du faisceau soit un système de projection optique adapté est utilisé comme
relais entre le plan à la cote z et le détecteur. Il est nécessaire de mesurer une distribution de densité
de puissance [d’énergie] stationnaire. Pour les lasers ayant des paramètres fluctuant dans le temps qui
caractérisent la distribution de densité de puissance [d’énergie] du faisceau sont calculés à partir des
définitions données en 3.2.
7 Dispositif de mesurage et équipement d’essai
7.1 Généralités
Pour mesurer la distribution
...
Questions, Comments and Discussion
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