GB∕ T 42403-2023 激光器和激光相關(guān)設(shè)備 激光光譜特性測(cè)量方法

激光器和激光相關(guān)設(shè)備激光光譜特性測(cè)量方法Testmethodsforthespectralch國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)1GB/T42403—2023 Ⅲ 1 1 1 65波長和帶寬的測(cè)量 7 75.2低分辨力測(cè)量 5.3高分辨力測(cè)量 6.2單頻激光器的波長穩(wěn)定性 7測(cè)試報(bào)告 附錄A(資料性)空氣的折射率 附錄B(資料性)光柵單色儀及其附件的選擇準(zhǔn)則——校準(zhǔn) 附錄C(資料性)法布里-珀羅干涉儀的選擇準(zhǔn)則 20Ⅲ——?jiǎng)h除了ISO13695:2004的第5章，ISO13695:2004的第6章～第8章對(duì)應(yīng)本文件的第5章~第7章；第3章);1激光器和激光相關(guān)設(shè)備激光光譜特性測(cè)量方法下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不GB/T27418測(cè)量不確定度評(píng)定和表示(GB/T27418—2017,ISO/IECGu (1)光輻射在標(biāo)準(zhǔn)條件下的干燥空氣(0%濕度)中傳播的波長，與真空中的波長的關(guān)系見公式(2): 2輻射功率[能量]譜密度radiantpower[energy]spectraldensity激光束在dλ波長范圍內(nèi)傳播的輻射功率dP(λ)[或脈沖激光的輻射能量dQ(a)]與dλ的比值，見公式(3):峰值波長peakwavelength光譜輻射功率(能量)分布為其最大值時(shí)的波長。見圖1。加權(quán)平均波長(一階矩)weightedaveragewavelength(firstmoment)表示光譜輻射功率(能量)分布的重心的波長，見公式(5):S(λ)連續(xù)激光的光譜輻射功率分布Pa(λ),或脈沖激光的光譜輻射能量分布Q(λ)。見圖1。中心波長centralwavelengthλ譜線或模式的波長加權(quán)平均值，見公式(6): (6)式中：λ——第i個(gè)譜線或第i個(gè)模式的波長；I;——第i個(gè)譜線或第i個(gè)模式的相對(duì)輻射功率；i,i分別代表小于和大于λp并且離λ。最遠(yuǎn)的兩個(gè)譜線或模式。平均波長averagewavelengthλav3λav=c/vav均方根光譜輻射帶寬(二階矩)RMSspectralradiationbandwidth(secondmoment) (8)S(λ)——連續(xù)激光的光譜輻射功率分布Pa(λ),或脈沖激光的光譜輻射能量分布Q(λ)。見圖1。均方根光譜帶寬RMSspectralbandwidth均方根帶寬定義見公式(9),參見圖1。 (9)I?——第i個(gè)譜線或第i個(gè)模式的相對(duì)輻射功率；4圖1激光的光譜特性——參數(shù)定義圖解縱模數(shù)numberoflongitudinalmodesN位于λ。的最強(qiáng)模式的相對(duì)輻射功率Ip與位于λ,的第二強(qiáng)模式的相對(duì)輻射式(10):如圖2所示。 (11)5脈沖重復(fù)頻率pulserepetitionratefp重復(fù)脈沖激光器每秒發(fā)出的激光脈沖數(shù)。波長的溫度相關(guān)性temperaturedependenceofwavelength單位溫度T變化引起的激光波長的變化量，見公式(12): (12)波長的電流相關(guān)性currentdependenceofwavelength單位電流I變化引起的激光波長的變化量，見公式(13): (13)激光器的艾倫方差A(yù)llanvarianceforalaser在平均時(shí)間t內(nèi)頻率波動(dòng)的雙樣本方差，見公式(14):y(k)——這個(gè)數(shù)據(jù)集中第k次y的測(cè)量值；注1:頻率測(cè)量時(shí)，分?jǐn)?shù)偏差y(t)見公式(15):y(t)=[v(t)-v?]/v? (15)vo——標(biāo)稱頻率。測(cè)量時(shí)間都是t,并且在相鄰測(cè)量之間沒有停止時(shí)間。當(dāng)t<100s時(shí)，數(shù)據(jù)集需至少包含100個(gè)數(shù)據(jù)。對(duì)于注4:有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)[2儀器響應(yīng)函數(shù)instrumentalresponsefunction當(dāng)入射波長為單色波長λ。時(shí)，儀器在設(shè)定波長λ的輸出信號(hào)。6GB/T42403—2023儀器有效光譜帶寬instrumentaleffectivespectralbandwidth一一Qm連續(xù)激光的光譜輻射功率分布P?(λ),或脈沖激光的光譜輻射能量分布Q(a)λmmm空氣中的波長mm加權(quán)平均波長(一階矩)m峰值波長7表1符號(hào)和縮略語(續(xù))mλm中心波長m均方根光譜輻射帶寬(二階矩)m光譜帶寬mm半高寬光譜帶寬m譜線寬m測(cè)量的光譜輻射帶寬(二階矩)m均方根光譜帶寬v法布里-珀羅(FP)干涉儀的自由光譜范圍(FSR)s根據(jù)激光的光譜特性、激光的預(yù)期用途和激光的波長(或頻率)測(cè)量時(shí)要求的不確定度水平UA或本文件假定在光束的整個(gè)空間功率(能量)分布上激光束的光譜特性都是相同的。如果不是這樣，在5.1.3中建議了三個(gè)測(cè)試級(jí)別。b)在關(guān)注的時(shí)間范圍內(nèi)模式穩(wěn)定的多模激光器；8c)單頻激光器：假設(shè)在測(cè)量期間激光器的光譜特性是穩(wěn)定的，但是這可能需要通過隨后的行評(píng)價(jià)(見第6章)。其最大值的1%。如果使用了其他積分下限和積分上限，應(yīng)在測(cè)試報(bào)告中說明?？赡艽嬖谶@樣的情況，在非常寬的波長范圍內(nèi)光譜分布的值并非遠(yuǎn)小于其最大值的1%,如，在寬當(dāng)?shù)湫偷牟淮_定度U?/λ=U,/v在10-?~10-?量級(jí)時(shí)，中等精度測(cè)量是有用的，適用于窄帶脈沖激寬內(nèi)的縱模數(shù)Nm以及邊模抑制比SMS。應(yīng)確定中心波長λ,均方根光譜帶寬△λm。應(yīng)測(cè)量隨工作應(yīng)根據(jù)要求的精度和激光器類型選擇合適的儀器。例如，高分辨力光柵光譜儀的實(shí)際分辨本領(lǐng)R=λ/△λin?？梢赃_(dá)到10?~10?數(shù)量級(jí)。對(duì)于脈沖激光，只能使用儀器帶寬的倒數(shù)小于脈沖持續(xù)時(shí)間rn的干涉儀，自由光譜范圍為vFsR,精細(xì)度為F,則最小脈沖持續(xù)時(shí)間為F/vFsR。如果雙光束干涉儀的最大光程差為L,最小脈沖持續(xù)時(shí)間為L/c,其中c是光速。9將激光束耦合到測(cè)量系統(tǒng)的任何光學(xué)元件(透鏡、平面鏡、光纖等)在測(cè)量范圍矩陣(見ISO12005)識(shí)別。應(yīng)考慮測(cè)量系統(tǒng)的偏振相關(guān)的光譜響應(yīng)。已知光柵單色儀之類折射率的計(jì)算從干燥空氣的色散公式開始。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，即在15℃的溫度、101325Pa壓強(qiáng)、450×10-?(450ppm)的CO?體積分?jǐn)?shù)和0%的濕度條件下，可使用公式(18),即修正的埃德倫公式計(jì)算空氣的折射率(見參考文獻(xiàn)[4]):如果激光器波長(或頻率)測(cè)量的不確定度U?/λm=U./vm可接受水平大于10-4,則無需詳細(xì)考慮如果波長(或頻率)測(cè)量的不確定度UA/λm=U,/vm可接受水平小于或等于10-4,應(yīng)通過公式(19)校正測(cè)量結(jié)果(見參考文獻(xiàn)[4]):f×[3.7345-0.0401×(1000/λ)2×10-10na——空氣的折射率；1+e是高階p和T校正項(xiàng)，1+e=1+10-?×p×(0.601-0.00972×T);1+x是一個(gè)考慮了CO?體積分?jǐn)?shù)φco?與450×10-?(450ppm)的偏差，1+x=1+0.54×(φco?-如果波長不確定度U?/λm=U./vm的可接受水平大于10-?,兩個(gè)校正項(xiàng)都可視為等于1。如果激光器波長(或頻率)測(cè)量不確定度U?/λm=U,/vm的可接受水平小于10-7,波長測(cè)量應(yīng)在真中等尺寸的光柵單色儀(焦距約為30cm)適合低分辨力測(cè)量。單獨(dú)一臺(tái)儀器也許可用于所有類型光柵單色儀及其附件的選擇見附錄B。狹縫。應(yīng)通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)使光束與儀器的孔徑比匹配。這通常需要聚焦激光應(yīng)檢查儀器的有效光譜帶寬值△λm,使用窄線寬激光束作為參考光束，調(diào)整后使光束具有大致相如果儀器在關(guān)注的波長范圍內(nèi)掃描，步長應(yīng)適應(yīng)所需的分辨力。記寬的時(shí)間小得多。例如，這兩個(gè)時(shí)間中后者為前者的10倍布小于其最大值的1%。如果使用了其他積分下限和積分上限，應(yīng)在測(cè)試報(bào)告中說明?？赡艽嬖谶@樣的情況，在非常寬的波長范圍內(nèi)光譜分布的值并非遠(yuǎn)小于其最大值的1%,例c)將結(jié)果記錄在測(cè)試報(bào)告數(shù)據(jù)表中。 t=2nD/c (20)一個(gè)CCD相機(jī)或線性CCD光電二極管陣列(以圓形條紋為中心)來記錄圖像。通過與干涉儀的條紋間距或自由光譜范圍vrsR=c/(2nD)進(jìn)行比較，確定光源的光譜分布。對(duì)于斐索條紋，這種關(guān)系是線性自延遲零差法是測(cè)量在可見光到中紅外波段內(nèi)激光光譜帶寬的有用工外差法是確定連續(xù)或脈沖激光器光譜特性相關(guān)參數(shù)的有力工具。式中：v,——參考激光的振蕩頻率；5.3.6不確定度U?/λ=U,/v在10-?~10-?范圍內(nèi)的中等精度分析c)確定3.14定義的縱模數(shù)Nm;a)一般信息：1)參考的標(biāo)準(zhǔn)(本文件);2)測(cè)試日期；3)測(cè)試機(jī)構(gòu)的名稱和地址；4)執(zhí)行測(cè)試的個(gè)人姓名。1)激光器類型；2)制造商；3)制造商的型號(hào)名稱；4)序列號(hào)。1)被測(cè)激光波長；3)工作模式(連續(xù)或脈沖);4)激光參數(shù)設(shè)置：5)模式結(jié)構(gòu)(如果已知);6)偏振態(tài)；7)環(huán)境條件：1)測(cè)試儀器：2)測(cè)量時(shí)間(脈沖激光的脈沖數(shù))。4)峰值波長λp;6)加權(quán)平均波長λg;7)譜線寬△λL;8)均方根光譜帶寬△λms;10)邊模抑制比SMS;11)溫度相關(guān)性8λr;13)輻射功率/脈沖能量(若適用)P,Q;14)激光器的艾倫方差o2(2,t)。(資料性)為了將相對(duì)濕度和露點(diǎn)溫度轉(zhuǎn)換為水蒸氣壓強(qiáng)，可以用水飽和壓強(qiáng)pv的公參考文獻(xiàn)[5]):pv=F?×exp(AT2+BT+C+DT-1)………(示例：對(duì)于20℃下的水蒸氣，總大氣壓p=101325Pa,相對(duì)濕度為50%,水蒸氣的分壓為：A.2在大范圍的波長和大氣條件下折射率的高精度計(jì)算可見光和近紅外波長范圍，并且適用于非常大范圍的大氣條件，即0%～100%的相對(duì)濕度和零下溫度。A.3可選用的標(biāo)準(zhǔn)條件料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定長度測(cè)量的參考溫度固定在20℃。定義新的標(biāo)準(zhǔn)條件，特別是溫度為(資料性)B.1簡介光柵單色儀的性能與其光柵的衍射特性和尺寸、相對(duì)于光柵尺寸的儀器sina?+sina?=kNλ在大多數(shù)情況下，入射角α?非常接近衍射角α?,a?≈a?=a,因此2sina=kNλ。B.1.3實(shí)際分辨本領(lǐng)F?全面描述分辨本領(lǐng)相對(duì)于理論值的下降：Rpk=F?IFq?kR對(duì)光學(xué)像差的敏感度取決于單色儀的孔徑值，定義為L?/L。,L是準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的焦距。品質(zhì)因——F?=1,L/L.>10;對(duì)光學(xué)元件表面缺陷的敏感度取決于光譜范圍。品質(zhì)因數(shù)F?的典型值為：——F=0.9,λ>0.7μm;上面給出的分辨本領(lǐng)的公式假設(shè)入射狹縫的寬度和出射狹縫的寬度(或器像素的尺寸)可以做得與衍射極限(AL:)/(L.cosa)限制的尺寸一樣小。在短波長區(qū)域可能很難實(shí)現(xiàn)2sinas=NλB ——S=0.9,λ=λs。(資料性)法布里-珀羅干涉儀是測(cè)量連續(xù)或脈沖激光光譜分布的有效工具。掃描法法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具都適用于光譜純度好的激光器。掃描法布里-珀羅干涉儀可用于光譜純度高的激OFSR=1/(2nD)P,(o)=λ2P?(λ),Q,(a)=λ2Q(λ)法布里-珀羅干涉儀的第二個(gè)特征是它的精細(xì)度F,由其反射鏡的反射率R通過公式(C.3)確定：諧振腔的波數(shù)掃描可以通過逐漸允許干燥空氣或中性氣體進(jìn)入諧振腔(掃描折射率n),或通過掃[1]ISO12005Lasersand