(高清版)GBT 42403-2023 激光器和激光相关设备 激光光谱特性测量方法

激光器和激光相关设备激光光谱特性测量方法Testmethodsforthespectralch国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会1GB/T42403—2023 65波长和带宽的测量 7 75.2低分辨力测量 5.3高分辨力测量 6波长稳定性测量 6.2单频激光器的波长稳定性 7测试报告 附录A(资料性)空气的折射率 附录B(资料性)光栅单色仪及其附件的选择准则——校准 附录C(资料性)法布里-珀罗干涉仪的选择准则 20Ⅲ——删除了ISO13695:2004的第5章，ISO13695:2004的第6章~第8章对应本文件的第5章~第7章；第3章);1下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不GB/T27418测量不确定度评定和表示(GB/T27418—2017,ISO/IECGu3术语和定义光辐射在标准条件下的干燥空气(0%湿度)中传播的波长，与真空中的波长的关系见公式(2):2辐射功率[能量]谱密度radiantpower[energy]spectraldensity激光束在dλ波长范围内传播的辐射功率dP(λ)[或脉冲激光的辐射能量dQ(a)]与dλ的比值，见公式(3):光谱辐射功率(能量)分布为其最大值时的波长。见图1。加权平均波长(一阶矩)weightedaveragewavelength(firstmoment)S(λ)连续激光的光谱辐射功率分布Pa(λ),或脉冲激光的光谱辐射能量分布Q(λ)。见图1。λλ第i个谱线或第i个模式的波长；I₁——第i个谱线或第i个模式的相对辐射功率；射功率的1%。λav3λav=c/vav均方根光谱辐射带宽(二阶矩)RMSspectralradiationbandwidth(secondmoment)S(λ)——连续激光的光谱辐射功率分布Pa(λ),或脉冲激光的光谱辐射能量分布Q(λ)。见图1。均方根光谱带宽RMSspectralbandwidth均方根带宽定义见公式(9),参见图1。λ——第i个谱线或第i个模式的波长；I₁——第i个谱线或第i个模式的相对辐射功率；光谱辐射功率(能量)分布是其峰值的u%时4图1激光的光谱特性——参数定义图解纵模数numberoflongitudinalmodesN式(10): (10)如图2所示。 (11)5脉冲重复频率pulserepetitionratefp重复脉冲激光器每秒发出的激光脉冲数。单位温度T变化引起的激光波长的变化量，见公式(12):单位电流I变化引起的激光波长的变化量，见公式(13):在平均时间r内频率波动的双样本方差，见公式(14):〈〉——数据集的平均值；y(k)——这个数据集中第k次y的测量值；vo——标称频率。当入射波长为单色波长λ。时，仪器在设定波长λ的输出信号。6仪器响应函数R(λ,λo)的二阶矩，见公式(17):注：通常假定R(a,λo)与输入波长λ。大致无关，那么△Am(Ao)也与λ。大致无关4符号和缩略语下列符号和缩略语适用于本文件，如表1所示。Qm一连续激光的光谱辐射功率分布P₄(λ),或脉冲激光的光谱辐射能量分布Q(a)λmmm空气中的波长mm加权平均波长(一阶矩)m峰值波长7表1符号和缩略语(续)m1λm中心波长m均方根光谱辐射带宽(二阶矩)m光谱带宽mm半高宽光谱带宽m谱线宽m测量的光谱辐射带宽(二阶矩)m均方根光谱带宽V法布里-珀罗(FP)干涉仪的自由光谱范围(FSR)s根据激光的光谱特性、激光的预期用途和激光的波长(或频率)测量时要求的不确定度水平Ua或本文件假定在光束的整个空间功率(能量)分布上激光束的光谱特性都是相同的。如果不是这样，a)宽带激光器b)多模激光器：8R=λ/△λin可以达到10⁵~10⁶数量级。9将激光束耦合到测量系统的任何光学元件(透镜、平面镜、光纤等)在测量范围矩阵(见ISO12005)识别。应考虑测量系统的偏振相关的光谱响应。已知光栅单色仪之类的仪器具有折射率的计算从干燥空气的色散公式开始。在标准条件下，即在15℃的温度、101325Pa压强、450×10-⁶(450ppm)的CO₂体积分数和0%的湿度条件下，可使用公式(18),即修正的埃德伦公式计算空气的折射率(见参考文献[4]):如果激光器波长(或频率)测量的不确定度U₂/λm=U./vm可接受水平大于10-4,则无需详细考虑如果波长(或频率)测量的不确定度Ua/λm=U,/vm可接受水平小于或等于10-4,应通过公式(19)校正测量结果(见参考文献[4]):f×[3.7345-0.0401×(1000/λ)²×10-10na——空气的折射率；f——水蒸气分压，单位为帕(Pa);1+e是高阶p和T校正项，1+e=1+10-⁸×p×(0.601-0.00972×T);1+x是一个考虑了CO₂体积分数φco₂与450×10-⁶(450ppm)的偏差，1+x=1+0.54×(φco₂-如果波长不确定度U₂/λm=U./vm的可接受水平大于10-6,两个校正项都可视为等于1。如果激光器波长(或频率)测量不确定度U₂/λm=U,/vm的可接受水平小于10-7,波长测量应在真中等尺寸的光栅单色仪(焦距约为30cm)适合低分辨力测量。单独一台仪器也许可用于所有类型光栅单色仪及其附件的选择见附录B。狭缝。应通过适当的光学系统使光束与仪器的孔径比匹配。这通常需要聚焦激光束。应牢记，如果使如果仪器在关注的波长范围内扫描，步长应适应所需的分辨力。记宽的时间小得多。例如，这两个时间中后者为前者的10倍布小于其最大值的1%。如果使用了其他积分下限和积分上限，应在测试报告中说明。可能存在这样的情况，在非常宽的波长范围内光谱分布的值并非远小于其最大值的1%,例c)将结果记录在测试报告数据表中。一个CCD相机或线性CCD光电二极管阵列(以圆形条纹为中心)来记录图像。通过与干涉仪的条纹间距或自由光谱范围VrsR=c/(2nD)进行比较，确定光源的光谱分布。对于斐索条纹，这种关系是线性自延迟零差法是测量在可见光到中红外波段内激光光谱带宽的有用工外差法是确定连续或脉冲激光器光谱特性相关参数的有力工具。式中：8.—-拍频。5.3.6不确定度U₂/λ=U,/v在10-⁵~10-⁴范围内的中等精度分析c)确定3.14定义的纵模数Nm; 1)参考的标准(本文件);2)测试日期；3)测试机构的名称和地址；4)执行测试的个人姓名。1)激光器类型；2)制造商；3)制造商的型号名称；4)序列号。1)被测激光波长；3)工作模式(连续或脉冲);4)激光参数设置：—脉冲持续时间；5)模式结构(如果已知);6)偏振态；7)环境条件：1)测试仪器：2)测量时间(脉冲激光的脉冲数)。4)峰值波长λp;5)中心波长λ;10)边模抑制比SMS;11)温度相关性8λr;13)辐射功率/脉冲能量(若适用)P,Q;14)激光器的艾伦方差o²(2,t)。 (资料性)空气的折射率A.1水蒸气分压的测定为了将相对湿度和露点温度转换为水蒸气压强，可以用水饱和压强pv的公式(A.1),单位为Pa(见参考文献[5]):式中：F。——将信号转换为单位Pa的转换因子(F,=1Pa);A.2在大范围的波长和大气条件下折射率的高精度计算在常规测量和/或有可编程计算机的情况下，Ciddor(6开发的公式可能有用。这些公式适用于整个可见光和近红外波长范围，并且适用于非常大范围的大气条件，即0%～100%的相对湿度和零下温度。定义的标准条件与这里使用的标准大气条件相同。A.3可选用的标准条件由于历史的原因，选择5.1.5所述的标准条件。但是，现在大多数实验室温度保持在20℃左右，材料标准规定长度测量的参考温度固定在20℃。定义新的标准条件，特别是温度为20℃时，推导了折射率随波长、温度、压强、湿度和二氧化碳浓度变化的替代公式(见参考文献[5])。在可见光波段，这些公式非常准确，而且在接近标准大气条件下工作时，例如在良好控制大气的实验室温度非常接近20℃时，简化了校正。(资料性)光栅单色仪及其附件的选择准则——校准B.1简介光栅单色仪的性能与其光栅的衍射特性和尺寸、相对于光栅尺寸的仪器大小以及关注的光谱范围直接相关。这里考虑装有反射式衍射光栅的仪器。可用光栅公式(B,1):sina₁+sinaz=kNλ…………(k——衍射级；N单位长度的刻槽数；在大多数情况下，入射角a₁非常接近衍射角az,a₂≈a₁=a,因此2sina=kNλ。B.1.2理论分辨本领使用k级衍射的理论分辨本领R.为：式中：L.——使用的有效尺寸(与刻槽垂直)。B.1.3实际分辨本领实际分辨本领不仅取决于光栅，还取决于仪器的机械特性、光学特性和光谱范围。用一个品质因数F₄全面描述分辨本领相对于理论值的下降：F,=F₄FRpk=F₄₁Fg₂kR₁对光学像差的敏感度取决于单色仪的孔径值，定义为L₁/L。,L;是准直光学系统的焦距。品质因 对光学元件表面缺陷的敏感度取决于光谱范围。品质因数F₂的典型值为：——F₄₂=0.9,x>0.7μm;——F₂=0.5,0.4μm<λ<0.7μm;上面给出的分辨本领的公式假设入射狭缝的宽度和出射狭缝的宽度(或者使用的CCD阵列的探测器像素的尺寸)可以做得与衍射极限(AL()/(L.cosα)限制的尺寸一样小。在短波长区域可能很难实现只有当衍射级k=1时，全息光栅的衍射效率近似恒定(约30%～50%)。那么配有全息光栅的单闪耀光栅的闪耀角与刻槽面相对于基底平面的倾斜度有关。闪耀角αB对应于效率最高的一级衍——S=0.9,λ=λs。kNλmin=2sinamin,kNλmx=2sinamx(资料性)法布里-珀罗干涉仪是测量连续或脉冲激光光谱分布的有效工具。扫描法法布里-珀罗标准具都适用于光谱纯度好的激光器。扫描法布里-珀罗干涉仪可用于光谱纯度高的激P,(o)=λ²P₂(λ),Q,(a)=λ²Q(λ)法布里-珀罗干涉仪的第二个特征是它的精细度F,由其反射镜的反射率R通过公式(C.3)确定：然后，法布里-珀罗谐振腔的分辨极限为8=(orsR)/F,干涉仪的分辨本领见公式(C.4):谐振腔的波数扫描可以通过逐渐允许干燥空气或中性气体进入谐振腔(扫描折射率n),或通过扫[1]ISO12005Lasersandla[2]BARNES,J.A.,et