ICS31.260 L51 中华人民共和国国家标准 GB/T27666—2011 制 造用激光器光束质量的评价和测试方法 Evaluationandtestmethodforbeamqualityofmanufacturinglasersystem 2011-12-30发布 2012-05-01实施 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会发布前 言 本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利,本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。 本标准由中国机械工业联合会提出。 本标准由全国光辐射安全和激光设备标准化技术委员会(SAC/TC284)归口。 本标准起草单位:北京工业大学激光工程研究院、国家产学研激光技术中心、中国电子科技集团公 司第十一研究所。 本标准主要起草人:左铁钏、陈虹、王旭葆、赵鸿。 ⅠGB/T27666—2011 制造用激光器光束质量的评价和测试方法 1 范围 本标准规定了工业制造用大功率激光器光束质量的评价参数计算和测试方法。 本标准适用于工业制造用各种连续激光器。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。 GB7247.1 激光产品的安全 第1部分:设备分类、要求和用户指南 GB/T15313—2008 激光术语 ISO11146-1 激光和激光相关设备 激光束宽度、发散角和束扩散率的试验方法 第1部分:无 象散和简单象散束(Lasersandlaser-relatedequipment—Testmethodsforlaserbeamwidths,diver- genceanglesandbeampropagationratios—Part1:Stigmaticandsimpleastigmaticbeams) 3 术语和定义 GB/T15313确立的以及下列术语和定义适用于本文件。为了便于使用,以下重复列出了 GB/T15313的某些术语和定义。 3.1 光束直径 beamdiameter du 在垂直光束轴平面内,内含功率(或能量)占光束总功率(或能量)规定比例(u%)的最小孔径的直 径。当u=86.5%时,下角标可省去。 注:为了明确,光束直径的标识要将符号及其适合的下标一起使用,即:du或dσ。 [GB/T15313—2008,定义2.1.49.1] 3.2 束腰直径 beamwaistdiameter d0,u 束腰位置处的内含功率(或能量)定义的光束直径du。 注:为了明确,束腰直径的标识要将符号及其适合的下标一起使用,即:d0,u或dσ0。 [GB/T15313—2008,定义2.1.53.1] 3.3 光束宽度 beamwidths dx,u,dy,u 分别在两所选的相互正交且垂直于光束轴的x和y方向上,内含功率(或能量)占总功率(或能量) 规定比例(u%)的最小宽度。 注1:所选最小方向由最小束宽及其正交方向确定。 注2:对于圆形高斯光束,dx,95.4=d86.5。 注3:为了明确,光束宽度的标识要将符号及其适合的下标一起使用,即:dx,u,dy,u或dσx,dσy。 1GB/T27666—2011 [GB/T15313—2008,定义2.1.57.1] 3.4 束腰宽度 beamwaistwidths dx0,u,dy0,u 在x和y方向上,束腰位置处基于内含功率(或能量)定义的光束宽度dx,u和dy,u。 注:为了明确,束腰宽度的标识要将符号及其适合的下标一起使用,即:dx0,u,dy0,u或dσx0,dσy0。 [GB/T15313—2008,定义2.1.55.1] 3.5 束散角 divergenceangle Θu,Θσx,Θσy 光束宽度[内含功率(或能量)定义的]在远场增大形成的渐进锥面所构成的全角度。 注1:对圆截面,光束宽度为光束直径du。对于非圆截面,束散角分别由相应的x方向和y方向的光束宽度dx,u和 dy,u决定。 注2:当规定束散角时,应使用下标说明相关的光束宽度,如Θx,50说明光束宽度为dx,50。 注3:这里坐标系的定义和光束宽度的定义不包括一般像散情况。 注4:为了明确,束散角的表示要将符号及其适合的下标一起使用,即:Θσ,Θσx,Θσy或Θu,Θx,u,Θy,u。 [GB/T15313—2008,定义2.1.65.1] 3.6 束散半角 halfdivergenceangle θu,θσx,θσy 光束宽度[内含功率(或能量)定义的]在远场增大形成的渐进锥面所构成的半角度。 注1:对圆截面,光束宽度为光束直径du。对于非圆截面,束散半角分别由相应的x方向和y方向的光束宽度dσx 和dσy决定。 注2:当规定束散角时,应使用下标说明相关的光束宽度,如θx,50说明光束宽度为dx,50。 注3:这里坐标系的定义和光束宽度的定义不包括一般像散情况。 注4:为了明确,束散角的表示要将符号及其适合的下标一起使用,即:θσ,θσx,θσy或θu,θx,u,θy,u。 3.7 光束聚焦特征参数值 beamfocuscharacterizingparameter Kf 光束束腰直径(或光束束腰宽度)与束散角的乘积的1/4[见式(1)],即: Kf=d0,uΘu 4…………………………(1) 式中: Kf———光束聚焦特征参数值,单位为毫米毫弧度(mm·mrad); d0,u———光束束腰直径,单位为毫米(mm); Θu———束散角,单位为毫弧度(mrad)。 4 光束质量评价 4.1 评价参数 用光束聚焦特征参数值Kf评价本标准适用的激光器的光束质量,相关信息参见附录A。 4.2 光束参数的计算 将沿光束传输路径上由测试所得的光束直径结果拟合出位置和光束直径二次双曲线,然后根据双 2GB/T27666—2011 曲线系数来计算其他光束参数。二次双曲线形如图1所示,计算公式[参见式(2)],表示为: d2=A+Bz+Cz2…………………………(2) 式中: d ———光束直径,单位为毫米(mm); A、B、C———双曲线系数; z ———拟测试位置与初始位置之间的距离,单位为毫米(mm)。 说明: d0———束腰直径; w0———束腰半径; Θ0———束散角; θ0———束散半角; zR———瑞利长度; z0———束腰位置,光束束腰与初始测试点之间的相对距离。 图1 位置(z)和光束直径(d)二次双曲线 根据拟合方程求出双曲线系数,光束参数的计算公式按照ISO11146-1的表示[见式(3)~式(7)], 表示如下: Θ=C …………………………(3) d0=A-B2 4C…………………………(4) z0=-B2 2C…………………………(5) zR=4A C-B2 C2…………………………(6) Kf=4AC-B2 8…………………………(7) 5 光束质量的测试条件及要求 5.1 测试条件 测试条件如下: a) 测试时的环境温度要求在测试对象的工作环境温度,相对湿度45%~75%,气压80kPa~ 106kPa; b) 测试设备应稳定可靠,量程适用,并防止外界条件对它们的影响; c) 测试系统的周围环境要求无明显的振动、气流、烟尘和杂散辐射的影响; d) 除非另有规定,被测激光器应在详细规范中规定的工作程序和工作条件下工作,并在稳定工作 之后测试有关参数。 3GB/T27666—2011 5.2 测试设备 除非另有规定,测试设备应采用基于空心探针测试原理的设备,光探测器的波长范围应与待测激光 波长相匹配,其测试范围应能够满足待测激光的能量密度阈值。应注意光学器件的承受能力,允许在测 试设备上采用保护装置,但不应该影响测试准确度。 5.3 安全防护 为了保障工作人员的安全,对高压、激光辐射应有相应的防护措施,应按照GB7247.1的要求采取 安全防护措施。 6 光束质量的测试方法 6.1 测试原理 测试原理见图2,测试系统见图3,相关信息参见附录A。 a) 探测器示意图 b) 测试示意图 说明: 1———光束截面; 2———探针; 3———扫描线; 4———小孔; 5———平动; 6———转动; 7———激光束; 8———小孔; 9———探测器; 10———第一反射面; 11———中空管; 12———第二反射面。 图2 空心探针扫描测试原理示意图 说明: 1———被测激光; 2———光束光斑质量诊断仪; 3———吸收体; 4———计算机。 图3 测试系统示意图 4GB/T27666—2011 6.2 测试准备 除非另有规定,在测试前应按照详细规范的要求选取合适的测试仪器,并按下列要求做好准备: a) 符合第5章所规定的测试条件和要求; b) 按测试系统方框图组成测试系统; c) 根据被测激光器的波长及功率选择合适的探测器和探针; d) 确认冷却系统已经准备就绪。 6.3 测试步骤 测试步骤如下: a) 将氦氖指示光置于测试仪示意位置后关闭氦氖激光。启动光束光斑质量诊断仪,启动激光器。 对测试点Z处光束横截面的能量(或功率)分布进行预测试,根据预测试结果选择合适的测试 窗口和增益值; b) 在预测试基础上开始正式测试,记录计算机上显示的光束直径,每个位置测试次数≥5次,取 平均值作为该测试位置光束直径值; c) 每次改变光斑或者测试仪的位置,都要重复上两个步骤。至少要测试10个位置,接近一半的 数据要在束腰一侧瑞利长度范围内采集,还要有接近一半的数据在