ГОСТ Р ИСО 13695-2010
Группа Т35
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ОПТИКА И ФОТОНИКА
ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРНЫЕ УСТАНОВКИ (СИСТЕМЫ)
Методы измерений спектральных характеристик лазеров
Optics and photonics - Lasers and laser-related equipment. Test methods for the spectral characteristics of lasers
ОКС 31.260, 37.020
Дата введения 2011-10-01
Предисловие
Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"
Сведения о стандарте
1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений" (ФГУП "ВНИИОФИ") на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного стандарта, указанного в пункте 4
2 ВНЕСЕН Управлением метрологии Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 30 ноября 2010 г. N 765-ст
4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 13695:2004* "Оптика и фотоника. Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений спектральных характеристик лазеров" (ISO 13695:2004 "Optics and photonics - Lasers and laser-related equipment - Test methods for the spectral characteristics of lasers").
________________
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - .
При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации, сведения о которых приведены в справочном приложении DA
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет
Предисловие к международному стандарту ИСО 13695:2004 "Оптика и фотоника. Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений спектральных характеристик лазеров"
ИСО (Международная организация по стандартизации) - Всемирная федерация национальных органов по стандартизации (членов ассоциации). Разработкой международных стандартов обычно занимаются технические комитеты. Каждый член ассоциации, заинтересованный в тематике, для которой создан технический комитет, имеет право быть представленным в этом комитете. Международные правительственные и неправительственные организации, связанные с ИСО, также принимают участие в работе. ИСО тесно сотрудничает с Международной электротехнической комиссией (МЭК) по всем вопросам электротехнической стандартизации в области электротехники.
Проекты международных стандартов разрабатывают в соответствии с правилами, изложенными в Директивах ИСО/МЭК, часть 2.
Проекты международных стандартов, принятые техническими комитетами, рассылают членам ассоциации для голосования. Публикация в качестве международного стандарта требует одобрения по крайней мере 75% членов ассоциации, принявших участие в голосовании.
Некоторые элементы этого документа (международного стандарта) могут быть предметом патентования. ИСО не несет ответственности за признание какого-либо или всех патентных прав.
Международный стандарт ИСО 13695 подготовлен подкомитетом ПК 9 "Электрооптические системы" Технического комитета ИСО/ТК 172 "Оптика и фотоника".
Введение к международному стандарту ИСО 13695:2004 "Оптика и фотоника. Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений спектральных характеристик лазеров"
Спектральные характеристики лазера, такие как максимальная (пиковая) длина волны или ширина спектральной линии, являются важными для его различных возможных применений. Примерами служат специфические требования к спектральным характеристикам лазеров, применяемых в интерферометрии и литографии.
В данном стандарте приведены определения основных параметров, описывающих спектральные характеристики лазера, и рекомендованы методики измерений этих параметров для распространенных типов лазеров.
Допустимый уровень неопределенности измерений длины волны зависит от предполагаемого применения лазера. Следовательно, выбор аппаратуры, методики измерений и оценки их результатов предопределен тремя классами точности выполняемых спектральных измерений. С целью унификации способов представления результатов измерений спектральных характеристик в стандарт включен образец протокола измерений.
Введение к национальному стандарту Российской Федерации ГОСТ Р ИСО 13695-2010 "Оптика и фотоника. Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений спектральных характеристик лазеров"
Целью настоящего стандарта является прямое применение в Российской Федерации международного стандарта ИСО 13695:2004 "Оптика и фотоника. Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений спектральных характеристик лазеров" как основы для изготовления и поставки на экспорт объекта стандартизации по договорам (контрактам).
ГОСТ Р ИСО 13695-2010 представляет собой полный аутентичный текст ИСО 13695:2004.
1 Область применения
Настоящий стандарт распространяется на методики измерений таких спектральных характеристик, как длина волны, ширина полосы, спектральное распределение и стабильность длины волны лазерного излучения в непрерывном и импульсном режимах генерации. Важную роль играют также условия выполнения измерений, влияющие на длину волны лазерного излучения.
2 Нормативные ссылки
Следующие нормативные документы необходимы для применения настоящего стандарта. Для датированных ссылок следует применять только указанные издания. Для ссылки без даты следует применять последнее издание документа (включая любые поправки).
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты*:
_______________
* Таблицу соответствия национальных стандартов международным см. по ссылке. - .
ИСО 11145 Оптика и оптические приборы. Лазеры и относящееся к лазерам оборудование. Словарь и обозначения
ИСО 12005 Лазеры и относящееся к лазерам оборудование. Методы испытаний параметров лазерных пучков. Поляризация
МЭК 60747-5-1 Дискретные полупроводниковые приборы и интегральные схемы. Часть 5-1. Оптоэлектронные устройства. Общие положения
Руководство по выражению неопределенности измерений (РНИ). МБМВ
_______________
Международный словарь основных и общих терминов в метрологии (МСМ). МБМВ, МЭК, МФКХ, ИСО, МСТПХ, МСТПФ, МОЗМ. Женева: ИСО.
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены термины по МСМ, ИСО 11145, МЭК 60747-5-1, а также следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 длина волны в вакууме,
Примечание - Соотношение частоты
3.2 длина волны в воздухе,
где
Примечание - На показатель преломления атмосферного воздуха
3.3 длина волны в сухом воздухе при стандартных (нормальных) условиях,
где
Примечание - Применительно к данному стандарту понятие воздуха при стандартных (нормальных) условиях приведено в 6.4. В литературе описаны различные варианты стандартных условий. Поэтому в протоколе измерений следует отметить параметры воздуха и условия, при которых выполнялись измерения.
3.4 спектральное распределение мощности (энергии) излучения,
Примечание - Мощность (энергия) излучения в лазерном пучке, ограниченном длинами волн от
3.5 длина волны максимума спектрального распределения мощности (энергии) излучения,
Рисунок 1 - Спектральные характеристики лазеров - иллюстрация определяемых параметров
3.6 среднее взвешенное значение длины волны (момент первого порядка),
где
Примечание - При выборе пределов интегрирования
3.7 центрированная длина волны,
где
Примечания
1 Обычно пределы суммы выбирают таким образом, чтобы относительные значения мощности в спектральных линиях или модах излучения вне этих пределов не превышали 1% относительного значения мощности при длине волны
2 Это ограничение, в частности, полезно в случае многомодового лазера.
3.8 средняя длина волны,
Примечание - Средняя частота
3.9 среднее квадратическое значение спектральной (-го) полосы (интервала) излучения (момент второго порядка),
где
Примечание - При выборе пределов интегрирования
3.10 среднее квадратическое значение спектральной (-го) полосы (интервала),
где
Примечания
1 Обычно пределы суммы выбирают таким образом, чтобы относительные значения мощности в спектральных линиях или модах излучения вне этих пределов не превышали 1% относительного значения мощности при длине волны
2 Это ограничение, в частности, полезно в случае многомодового лазера.
3.11 ширина спектральной полосы (на уровне половины максимальной интенсивности),
Примечание - Заимствовано из ИСО 11145.
3.12 ширина спектральной линии (на уровне половины максимальной интенсивности),
Примечание - Ширина спектральной линии аналогична ширине спектральной полосы (3.11), но ее определяют для одной (продольной) моды или для характерного спектрального признака в пределах интервала
3.13 межмодовый интервал,
3.14 число продольных мод,
3.15 коэффициент подавления побочной моды,
Примечание - На практике эквивалентным считают соответствующее отношение пиковых значений спектрального распределения для наиболее интенсивной моды при длине волны
Рисунок 2 - Коэффициент подавления побочной моды
3.16 частота следования импульсов,
3.17 температурная зависимость длины волны,
3.18 зависимость длины волны от тока возбуждения генерации лазерного излучения,
3.19 дисперсия Аллана для непрерывного лазерного излучения,
где
Примечания
1 При измерениях частоты парциальную девиацию
где
Интервалы измерений должны быть одной (единой) длительности
2 Значение
3 Поскольку
4 Более детально эти вопросы рассмотрены в [1].
3.20 передаточная функция измерительной аппаратуры,
Примечание - Обычно в пределах рабочего спектрального диапазона измерительной аппаратуры
и он должен быть равен длине волны входного излучения, т.е.
3.21 эффективная спектральная полоса длин волн,
Примечание - Если, как обычно, предположить, что
4 Обозначения, единицы измерения, сокращенные термины
Обозначение | Единица измерений | Сокращенный термин |
Гц | Межмодовый интервал в частотной области | |
Гц | Частота следования импульсов | |
Число продольных мод | ||
Показатель преломления воздуха | ||
Показатель преломления сухого воздуха при стандартных (нормальных) условиях | ||
Вт/м | Спектральное распределение мощности излучения | |
Вт·с/м | Спектральное распределение энергии излучения | |
1/м | Передаточная функция измерительной аппаратуры | |
м | Межмодовый интервал в области длин волн | |
Спектральное распределение мощности | ||
дБ | Коэффициент подавления побочной моды | |
Расширенная стандартная неопределенность измерения величины | ||
м/К | Температурная зависимость длины волны | |
м/А | Зависимость длины волны | |
м | Длина волны | |
м | Длина волны в вакууме | |
м | Длина волны в воздухе | |
м | Средняя длина волны | |
м | Среднее взвешенное значение длины волны (момент первого порядка) | |
м | Максимальная (пиковая) длина волны | |
м | Длина волны в сухом воздухе при стандартных (нормальных) условиях | |
м | Центрированная длина волны | |
м | Ширина спектральной полосы (момент второго порядка) | |
м | Ширина спектральной полосы | |
м | Эффективная спектральная полоса длин волн | |
м | Ширина спектральной линии | |
м | Измеренная спектральная полоса (момент второго порядка) | |
м | Среднеквадратическое значение спектральной полосы | |
Гц | Частота оптических колебаний (волны) | |
Гц | Полоса пропускания интерферометра Фабри-Перо | |
Дисперсия Аллана, характеризующая стабильность | ||
с | Длительность импульса |
5 Единство измерений (прослеживаемость результатов измерений)
Все результаты измерений следует представлять в единицах Международной системы единиц (СИ). Кроме того, отчетливо должна быть прослежена связь получаемых результатов с соответствующими национальными эталонами (например, измерения длины волны должны быть выполнены с использованием методики измерений, базирующейся на прослеживаемости цепочки передачи размера единицы длины к национальному эталону метра).
Примечание - Следует придерживаться рекомендаций Международного бюро мер и весов в части применения опорной (референтной) длины волны [2].
6 Измерение длины волны и ширины полосы
6.1 Общие сведения
6.1.1 Подготовка
В зависимости от вида спектральных характеристик при выбранном для испытаний (измерений) типе лазера и требуемого уровня неопределенности измерения
В случае, когда измеряемые характеристики лазера неизвестны, следует выполнить предварительные измерения для выбора наиболее подходящей измерительной аппаратуры и измеряемых параметров.
В данном стандарте изложены данные с учетом предположения, что спектральные характеристики лазерного пучка одинаковы во всех точках пространственного распределения мощности (энергии) в пучке. В противном случае необходимо выполнить измерения с соответствующей пространственной разрешающей способностью с использованием аппаратуры, имеющей меньшую апертуру.
В 6.2 рекомендованы три уровня точности выполняемых измерений спектральных характеристик.
6.1.2 Распространенные типы лазеров
Выбор параметров, отображающих спектральные характеристики излучения лазера, зависит от его типа.
Наиболее распространенные группы лазеров:
а) широкополосные лазеры, например, импульсные или многомодовые лазеры, излучению которых присущи значительные и быстрые флуктуации мод;
б) многомодовые лазеры со стабильной модовой структурой в течение всего периода испытаний (измерений) их спектральных характеристик;
в) одночастотные лазеры.
Для каждой из этих трех групп лазеров рекомендуется определять следующие параметры:
- для широкополосных лазеров:
среднее взвешенное значение длины волны
- для многомодовых лазеров:
центрированную длину волны
- для одночастотных лазеров:
максимальную (пиковую) длину волны
6.2 Выбор методики измерений и измеряемых параметров в зависимости от требуемой точности результата
6.2.1 Общее замечание
Предполагают, что спектральные характеристики лазеров стабильны в процессе выполнения измерений. Однако может возникнуть потребность в последующей оценке стабильности и дрейфа (см. раздел 7).
6.2.2 Измерения с низкой точностью
Результаты этих измерений полезны в типичном интервале неопределенности
При выполнении этих измерений не требуется разложение излучения на отдельные моды, а определению подлежат
При определении
Возможны случаи, когда спектральное распределение не превышает 1% его максимального значения в очень широком диапазоне длин волн (например, при наличии узкого пика на широком слабоинтенсивном фоне). В этих случаях значительная доля суммарной мощности может находиться вне пределов интегрирования. Кроме того, при сверхузких распределениях мощности разрешающая способность применяемого средства измерений может оказывать влияние на результат измерений максимального значения
6.2.3 Измерения со средней точностью
Результаты этих измерений полезны в типичном интервале неопределенности
При выполнении этих измерений излучение обычно разлагается на отдельные моды и определению подлежат
6.2.4 Измерения с высокой точностью
Результаты этих измерений полезны в типичном интервале неопределенности
При выполнении этих измерений должны быть идентифицированы возможные побочные моды и определен коэффициент
6.3 Выбор средств измерений
Выбор средства измерений зависит от требуемой точности результата и типа лазера. Например, спектрометр с дифракционной решеткой необходим при измерениях с разрешающей способностью
При измерениях с импульсными лазерами, когда длительность импульса
Требования к точности измерений длины волны часто могут быть низкими. Однако применительно к широкополосным излучателям измерения амплитуды (уровня) спектрального распределения мощности при этом необходимо выполнять с высокой точностью (например, плоскостность кривой распределения, высоты пучков и т.д.).
Все оптические элементы системы, формирующие измеряемый пучок лазерного излучения (линзы, зеркала, оптические волокна и т.д.), должны быть либо неселективными, либо сертифицированными по спектральной чувствительности в пределах диапазона измерений длин волн. Во всем диапазоне измерений длин волн должна быть обеспечена независимость от состояния поляризации лазерного излучения. При наличии зависимости от длины волны она должна быть охарактеризована, например, с использованием матриц Мюллера (см. ИСО 12005). Поляризационно-зависимая спектральная чувствительность средства измерений должна быть принята во внимание и учтена при обработке получаемых результатов. Особенно это относится к входящим в измерительную установку приемникам излучения и монохроматорам с дифракционными решетками.
Для пучков узкополосных лазеров пропускание оптической системы измерительной установки можно считать неизменным и не зависящим от состояния поляризации.
Поскольку многие типы лазеров подвержены влиянию оптической обратной связи, любые отраженные в обратном направлении и попадающие в выходную апертуру лазера потоки излучения (например, оптическими окнами, фильтрами или линзами) должны быть устранены путем наклона соответствующих оптических элементов или применения оптических изоляторов.
6.4 Измерения в воздухе
При измерениях
Вычисление показателя преломления следует начинать с формулы дисперсии для сухого воздуха. При стандартных условиях (температура 15 °С, давление 101325 Па, объемное содержание СО
Примечания
1 Вычисления по приведенной формуле обеспечивают определение
2
Если приемлемый уровень неопределенности измерения
Если приемлемый уровень неопределенности измерения
где
Оба последних корректирующих множителя могут быть приравнены единице, если приемлемый уровень неопределенности измерений
3 Показатель преломления
4 Приведенные выше формулы применимы к нормальному составу атмосферы. Наличие в замкнутом объеме аппаратуры или лаборатории паров масел или растворов приводит к изменению показателя преломления на 1·10
Детальное рассмотрение процедуры измерения
Если приемлемый уровень неопределенности измерения
6.5 Измерения с низкой разрешающей способностью
6.5.1 Принцип измерений
Если параметры излучения измеряемого (испытываемого) лазера неизвестны, следует провести предварительные измерения
6.5.2 Методика измерений
Пучок лазерного излучения или его часть, отклоненная расщепителем пучка, должны быть направлены во входную апертуру измерительного прибора (например, во входную щель монохроматора). Относительное отверстие (светосила) прибора должно быть согласовано с размерами пучка с помощью подходящей оптической системы. Обычно это требует фокусировки пучка. При этом необходимо помнить о возможности разрушения входной апертуры прибора (например, краев щели монохроматора), если плотность мощности излучения превысит предел лучевой стойкости оптических элементов системы. Поэтому должна быть предусмотрена возможность и необходимость применения оптических ослабителей.
Проверку
Если измерительный прибор сканирует измеряемую спектральную полосу, шаг сканирования должен быть согласован с требуемой разрешающей способностью. Постоянная времени регистрирующего устройства должна быть существенно меньше временного интервала, необходимого для сканирования половины ширины спектральной линии. Например, десятикратное соотношение между указанными промежутками времени эквивалентно сдвигу на 0,1 ширины спектральной линии.
Динамический диапазон приемника излучения по интенсивности должен охватывать не менее двух декад.
6.5.3 Анализ результатов измерений
Описанная в 6.5.2 методика измерений должна обеспечить убедительные результаты определения спектрального распределения мощности
a) После выполнения всех корректировок в диапазоне измеряемых длин волн вычисляют
Возможны случаи, когда спектральное распределение не превышает 1% его максимального значения в очень широком диапазоне длин волн (например, при наличии узкого пика на широком слабоинтенсивном фоне). В этих случаях значительная доля суммарной мощности может оказаться вне пределов интегрирования. Кроме того, при сверхузких распределениях мощности разрешающая способность применяемого средства измерений может оказывать влияние на результат измерений максимального значения
b) Вычисляют
c) Результаты измерений регистрируют в протоколе измерений.
d) Проводят сравнение
- если
- если
6.6 Измерения с высокой разрешающей способностью
6.6.1 Предупреждение
Все измерения спектральных характеристик лазерного излучения с неопределенностью измерений
6.6.2 Предварительные измерения
Если параметры излучения измеряемого (испытываемого) лазера неизвестны, следует провести предварительные измерения
a) ожидаемые моды колебаний;
b) непрерывный или импульсный режим излучения (в последнем случае следует обратить внимание на длительность импульса
c) измеряемые спектральные характеристики: длина волны или спектральное распределение мощности (энергии) излучения.
6.6.3 Измерения дифракционным спектрометром
В этом режиме предпочтительно использование дифракционной решетки с высокой разрешающей способностью, поскольку возможны измерения как длины волны, так и ширины спектральной полосы. В случае применения дифракционного спектрометра методика измерений аналогична описанной в 6.5.2.
6.6.4 Измерения интерферометром
Для измерений длины волны с высокой точностью предпочтительно применение интерферометра Физо (оптического клина) или группы интерферометров Физо. Надлежащие сочетания наиболее подходящих углов клиньев и баз нескольких интерферометров в многокаскадной схеме позволяют снизить погрешность измерений длины волны до 10
При измерении только спектрального распределения мощности (энергии) излучения может быть использован сканирующий интерферометр Фабри-Перо или тот же интерферометр с фиксированными зеркалами (эталон). (Более подробно см. приложение С.) Однако при работе с импульсными лазерами возникают ограничения. Длительность импульса
где
При сверхкоротких импульсах лазерного излучения предпочтителен дифракционный спектрометр.
Сканирующий интерферометр Фабри-Перо предпочтителен при измерениях спектрального распределения мощности непрерывных лазеров, а эталон Фабри-Перо - при измерениях спектрального распределения энергии импульсных лазеров. В любом случае оптическая длина пути между зеркалами
В сканирующем интерферометре поперечный размер входного пучка должен быть согласован (должен соответствовать) с входной апертурой прибора. Применительно к интерферометру Фабри-Перо это означает коллимированность пучка. Фокусирующая линза на выходе интерферометра Фабри-Перо должна собирать все лучи на входной поверхности приемника излучения. Профиль интенсивности излучения на чувствительной площадке приемника излучения, формируемый сканированием подвижного зеркала, отображает измеряемое спектральное распределение. Повторное сканирование спектрального распределения в каждом интервале полосы пропускания обеспечивает линейность частотной шкалы. Разрешающая способность прибора зависит от коэффициента отражения зеркал и степени коллимированности входного пучка.
Несканирующий (с фиксированными зеркалами) интерферометр требует коллимирования входного пучка в случае схемы Физо или расходящегося входного пучка в случае эталона Фабри-Перо. Обе схемы интерферометров пригодны для спектрального анализа излучения и измерений длин волн как непрерывных, так и импульсных лазеров. В плоскости изображений интерферометра Физо формируется интерференционная картина в виде прямых линий, а в схеме Фабри-Перо - кольцевая картина. Для регистрации интерферограммы может быть использована ПЗС-камера или ПЗС-линейка фотодиодов (центрированная в случае круговой интерферограммы). Спектральное распределение лазерного излучения оценивают путем сравнения либо с шагом интерферограммы (расстоянием между ее полосами), либо с
При измерениях длин волн любым из двух типов интерферометров проводят сравнение интерферограмм, сформированных излучениями испытываемого (измеряемого) и опорного (референтного) лазеров.
Для измерений максимальной (пиковой) длины волны
При измерениях длины волны коллимированный пучок измеряемого лазера и пучок излучения опорного (референтного) лазера с известной длиной волны должны быть съюстированы в интерферометре таким образом, чтобы волновые фронты обоих пучков проходили по двум плечам прибора и интерферировали на выходе. Измерения длины волны проводят путем счета интерференционных полос при одновременном наблюдении в процессе перемещения зеркала интерференционных картин, формируемых обоими лазерными пучками. При этом
где
Разрешающая способность увеличивается по мере возрастания числа полос, т.е. при перемещении зеркала.
Для получения спектрального распределения с помощью интерферометра Майкельсона необходимо зарегистрировать всю интерферограмму (интенсивность прошедшего излучения в зоне интерференции как функцию от перемещения зеркала) и затем выполнить преобразование Фурье. Особое внимание должно быть уделено выбору базы интерферометра, частоты дискретизации и коду компьютера, при этом следует изучить документацию производителя.
Все сказанное об интерферометре Майкельсона в полной мере относится к интерферометру Маха - Цендера.
При работе с интерферометрами из-за периодичности их передаточной функции необходимо также избегать влияния на результаты измерений остаточных побочных мод.
6.6.5 Измерения способом фотоэлектрического смешения
При измерениях спектральной ширины полосы лазерного излучения между видимым и средним ИК диапазонами длин волн полезен гомодинный способ с самозапаздыванием (самозадержкой). Для измерений
В результате их смешения на выходе волокна образуются колебания с частотой биений, а спектральную полосу пропускания измеряют радиочастотным спектроанализатором. Разрешающая способность этого способа обратно пропорциональна длине отрезка оптического волокна, используемого в качестве оптической линии задержки.
В отличие от гомодинного способ гетеродинирования - наиболее подходящий для измерений спектральных характеристик как непрерывных, так и импульсных лазеров. При этом необходимо применение опорного (референтного) лазера. Следует предварительно оценить ширины полос пропускания обоих лазеров, поскольку разрешающая способность и точность измерений длины волны в данном случае зависит только от качества опорного (референтного) лазера.
Для измерений спектрального распределения излучения в области оптических частот коллимированный пучок излучения испытываемого (измеряемого) лазера смешивают для образования частоты биений с пучком опорного (референтного) лазера. Разность частот и спектральное распределение в частотной области оптического излучения определяют радиочастотным спектрометром по частоте биений. Усредненное значение частоты биений может быть также определено с помощью электронного счетчика. Длину волны излучения в вакууме определяют по формуле
где
6.6.6 Анализ результатов измерений, выполняемых со средней точностью (
Вышеописанная методика измерений должна обеспечить видимое отображение спектрального распределения мощности
a) Вычислить
b) Вычислить
c) Определить
d) Определить
e) Занести полученные результаты в протокол измерений.
f) Сравнить измеренную
При необходимости корректировки
6.6.7 Анализ результатов измерений, выполняемых с высокой точностью (
Вышеописанная методика измерений должна обеспечить видимое отображение спектрального распределения мощности
а) Вычислить
- если
- если
b) Определить
c) Занести полученные результаты в протокол измерений.
d) Сравнить спектральную ширину полосы основной (преобладающей) моды с
e) При необходимости корректировки
7 Измерения стабильности длины волны
7.1 Зависимость длины волны от рабочих условий
Стабильность длины волны в широком спектральном диапазоне является одной из важнейших характеристик лазеров разных типов. Многие лазеры демонстрируют некоторую зависимость длины волны излучения от рабочих условий окружающей среды. Частота колебаний зависит главным образом от механических воздействий и вибраций, от температуры, а в диодных лазерах и от тока инжекции.
Температурную зависимость характеризует изменение длины волны, приходящееся на изменение температуры в один градус, причем измерения выполняют в режиме отсутствия перескока мод. В диодных лазерах зависимость от тока инжекции характеризует изменение длины волны, приходящееся на единицу измерений тока инжекции, при прочих неизменных рабочих условиях. Методика измерений аналогична описанной в 6.5 и 6.6, а также определяют зависимость для разных типов лазеров от рабочих условий длин волн
Поскольку длина волны излучения диодного лазера зависит главным образом от температуры и прямого тока, то именно эти зависимости подлежат определению. Для лазеров других типов обычно определяют лишь температурную зависимость.
7.2 Стабильность длины волны одночастотного лазера
При нормальных стабильных условиях выполнения измерений стабильность (нестабильность) частоты излучения одночастотного лазера может быть охарактеризована дисперсией Аллана. Эту двухвыборочную дисперсию определяют по результатам временной последовательности отсчетов частоты лазерного излучения (обычно получаемой гетеродинными методами), а также измеренным с временем интегрирования (усреднения)
8 Протокол измерений
Протокол измерений должен содержать следующую информацию:
a) общие сведения:
1) испытания (измерения) проведены в соответствии с ИСО 13695:2004;
2) дата проведения испытаний (измерений);
3) наименование и адрес организации, проводившей испытания (измерения);
4) фамилия, имя, отчество, должность оператора, проводившего испытания (измерения).
b) сведения об испытываемом (измеряемом) лазере:
1) тип лазера;
2) производитель;
3) товарный знак производителя;
4) серийный номер.
c) условия испытаний (измерений):
1) длина волны (волн), при которой (которых) проводили испытания (измерения);
2) температура в кельвинах (только для диодных лазеров - температура охлаждающей жидкости);
3) режим излучения лазера (непрерывный или импульсный);
4) установочные и регулируемые параметры лазера:
- мощность или энергия выходного излучения;
- ток или энергия возбуждения лазера;
- энергия импульса;
- длительность импульса;
- частота следования импульсов;
5) модовая структура (если известна);
6) состояние поляризации;
7) условия (состояние) окружающей среды:
- комнатная температура;
- влажность;
- атмосферное давление.
d) сведения о методике и средствах испытаний (измерений):
1) средство измерений:
- эффективная спектральная полоса длин волн
- сходимость результатов измерений
2) длительность периода времени испытаний (измерений) или число импульсов для импульсного лазера;
e) результаты испытаний (измерений) и наиболее значимые параметры, характеризующие испытываемый (измеряемый) лазер данного типа:
1) информация о том, какую из трех длин волн (
2) в случае прямых измерений
3) графики спектральных распределений
4) значение максимальной (пиковой) длины волны
5) значение центрированной длины волны
6) среднее взвешенное значение длины волны
7) ширина спектральной линии
8) среднеквадратическое значение спектральной полосы
9) ширина спектральной полосы (момент второго порядка)
10) коэффициент подавления побочной моды
11) температурная зависимость длины волны
12) зависимость длины волны от тока возбуждения генерации
13) мощность/энергия импульса излучения
14) дисперсия Аллана (двухвыборочная дисперсия)
f) прочие сведения (по выбору оператора).
Приложение А
(справочное)
Показатель преломления воздуха
А.1 Определение парциального давления водяного пара
Соотношение относительной влажности и температур точек росы с давлением (упругостью) водяного пара
где
Пример - Для водяного пара при 20 °С, общем (суммарном) атмосферном давлении
А.2 Высокоточное вычисление показателя преломления в широком диапазоне длин волн и изменений атмосферных условий
При рутинных измерениях показателя преломления и обработке результатов с использованием программируемого компьютера следует выполнять вычисления в соответствии с приводимыми в [5] уравнениями. Они выведены для всего видимого и ближнего ИК диапазонов длин волн в очень широком диапазоне атмосферных условий: относительной влажности от 0% до 100% и при отрицательных температурах. Нормальными при этом считают условия, идентичные приведенным в данном стандарте.
А.3 Альтернативные нормальные условия испытаний (измерений)
Исторически нормальные условия были выбраны такими, как указано в 6.4. Однако в современных лабораториях выдерживают температуру 20 °С. Поэтому данное ее значение принято стандартизованным в качестве референтного (опорного) при измерениях длины волны. Это же значение принято в уравнениях при вычислениях показателя преломления как функции температуры, давления, влажности и концентрации СО
Приложение В
(справочное)
Критерий выбора дифракционного монохроматора и его принадлежностей - калибровка
В.1 Введение
В.1.1 Общие сведения
Возможности дифракционного монохроматора непосредственно связаны с его дифракционными параметрами, размерами дифракционной решетки. А соотношения размеров дифракционной решетки с размерами прибора в целом также зависят от спектрального диапазона, в пределах которого выполняют измерения.
В стандарте рассмотрены монохроматоры с отражательными дифракционными решетками.
Для дифракционной решетки справедлива формула
где
В большинстве случаев угол падения
В.1.2 Теоретическая разрешающая способность
Теоретическая разрешающая способность для
где
В.1.3 Практическая разрешающая способность
Практическая разрешающая способность зависит не только от параметров дифракционной решетки, но также и от механических и оптических характеристик монохроматора в целом, равно как и от спектрального диапазона. Уменьшение разрешающей способности по сравнению с ее теоретическим пределом оценивает коэффициент (показатель) качества
в результате чего для
Влияние оптических аберраций зависит от светосилы монохроматора
Влияние дефектов поверхностей оптических элементов зависит от спектрального диапазона. Соответствующие типичные значения коэффициента (показателя) качества
Приведенные выражения для разрешающей способности справедливы при условии, что ширины входной и выходной щелей (или размер пикселя в случае использования ПЗС-матрицы) столь малы, что соответствуют дифракционному пределу
В.1.4 Монохроматор с голографической дифракционной решеткой
Светоотдача голографических решеток в первом порядке дифракции
где
В.1.5 Монохроматор с дифракционной решеткой скользящего падения
Угол скользящего падения штриховых дифракционных решеток зависит от наклона штрихового рисунка относительно поверхности подложки. Этот угол
Производители указывают некоторые пределы изменения эффективности дифракции в зависимости от длины волны. Например:
Более того, решетка скользящего падения может быть использована для дифракции излучения в высшие порядки. Зависимость эффективности от угла неизменна, поэтому оптимальную эффективность всегда достигают при
Практическая разрешающая способность монохроматора этого типа
Практически достигаемые пределы спектрального диапазона прибора также существуют для штриховых монохроматоров, но они зависят от порядка дифракции:
B.2 Выбор монохроматора
При выборе монохроматора следует определить:
- требуемую точность определения длин волн;
- разрешающую способность, необходимую для определения ширины спектральной полосы.
При оценке неопределенности полученных значений длин волн необходимо учитывать абсолютную погрешность показаний счетчика или дисплея, а также неопределенность позиционирования. Последняя обычно составляет 1/6 эффективной ширины полосы
В.3 Калибровка монохроматора
Калибровка является обобщающей частью методики измерений. Ее результаты должны быть внесены в протокол измерений.
В соответствии с инструкцией по эксплуатации монохроматора следует производить его периодическую калибровку. При этом определяют значения
Приложение С
(справочное)
Критерий выбора интерферометра Фабри-Перо
Интерферометр Фабри-Перо позволяет измерять спектральное распределение излучения непрерывных и импульсных лазеров. Как сканирующий интерферометр Фабри-Перо, так и эталон Фабри-Перо (интерферометр с фиксированными зеркалами) обеспечивают измерения лазерного излучения относительно высокой спектральной чистоты, а сканирующий интерферометр Фабри-Перо - особенно высокой спектральной чистоты.
Основной характеристикой интерферометра Фабри-Перо является его полоса пропускания
где
Интерферометр Фабри-Перо измеряет спектральные характеристики излучения в пространстве волновых чисел
причем в большинстве случаев
Другой характеристикой интерферометра Фабри-Перо служит качество (добротность)
Естественная ширина резонансной кривой резонатора интерферометра Фабри-Перо
Значения
Выполнение этих условий предъявляет высокие требования к качеству (добротности) интерферометра Фабри-Перо.
Сканирование резонансной кривой полости оптического резонатора интерферометра Фабри-Перо осуществляют путем постепенного заполнения его объема сухим воздухом или нейтральным газом (сканирование показателя преломления
Приложение DA
(справочное)
Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов национальным стандартам Российской Федерации
Таблица DA.1
Обозначение ссылочного международного стандарта | Степень соответствия | Обозначение и наименование соответствующего национального стандарта |
ИСО 11145 | - | * |
ИСО 12005 | - | * |
МЭК 60747-5-1 | - | * |
Руководство по выражению неопределенности измерений (РНИ). МБМВ, МЭК, МФКХ, ИСО, МСТПХ, МСТПФ, МОЗМ, 1993 г. Исправлено и переиздано в 1995 г. | IDТ | РМГ 43-2001 Государственная система обеспечения единства измерений. Применение "Руководства по выражению неопределенности измерений" |
Международный словарь основных и общих терминов в метрологии (МСМ). МБМВ, МЭК, МФКХ, ИСО, МСТПХ, МСТПФ, МОЗМ. Женева: ИСО | * | |
* Соответствующий национальный стандарт отсутствует. До его утверждения рекомендуется использовать перевод на русский язык данного международного стандарта. Перевод данного международного стандарта находится в Федеральном информационном фонде технических регламентов и стандартов. Примечание - В настоящей таблице использовано следующее условное обозначение степени соответствия: IDТ - идентичный стандарт. |
Библиография
[1] Barnes J.A., et al. | Characterization of frequency stability. IEEE transaction of instrumentation and measurement, IM-20(2), March 1971 |
[2] Quinn T.J. | International Report: Practical realization of the definition of the meter (1997). Metrologia, 1999, 36, pp.211-244 |
[3] Birch and Downs | Metrologia, 1994, 31, pp.315-316 |
[4] | Metrologia, 1998, 35, pp.133-139 |
[5] Ciddor | Appl. Optics, 1996, 35 (9), pp.1566-1573 |
Электронный текст документа
и сверен по:
, 2011