(高清版)GB∕T 38245-2019 光学和光学仪器 激光器和激光相关设备 激光光学元件吸收率测试方法

ICS31.260GB/T38245—2019激光光学元件吸收率测试方法(ISO11551:2003,MOD)国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会IGB/T38245—2019 Ⅲ 1 13术语和定义 14符号和度量单位 1 26测试原理 3 48计算方法 59测试报告 7附录A(资料性附录)影响吸收率测试的因素 9附录B(资料性附录)信号失真的影响 附录C(资料性附录)温度数据参数算法 ⅢGB/T38245—2019本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。本标准使用重新起草法修改采用ISO11551:2003《光学和光学仪器激光器和激光相关设备激本标准与ISO11551:2003相比存在结构变化，将第5章中的图移到第6章，增加6.1测试原理图；原第5章分为5.1测试环境、5.2测试光源和5.3测试样品。本标准与ISO11551:2003的技术性差异及其原因如下：●用等效采用国际标准的GB/T3102.6代替了ISO31-6:1992;●用修改采用国际标准的GB/T15313代替了ISO11145:2001。——表1中增加了脉冲能量和重复频率的符号和单位(见第4章)。本标准由中国机械工业联合会提出。本标准由全国光学和光子学标准化技术委员会(SAC/TC103)归口。1GB/T38245—2019光学和光学仪器激光器和激光相关设备激光光学元件吸收率测试方法本标准适用于激光光学元件吸收率的测试。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GB/T3102.6光及有关电磁辐射的量和单位(GB/T3102.6—1993,eqvISO31-6:1992)GB/T15313激光术语(GB/T15313—2008,ISO11145:2006,MOD)GB/T25915.1—2010洁净室及相关受控环境第1部分：空气洁净度等级(ISO14644-1:1999,IDT)GB/T3102.6和GB/T15313界定的以及下列术语和定义适用于本文件。吸收辐射通量与入射辐射通量的比值。注：本标准所定义的吸收率仅限于能量转化为热的吸收过程。对于某些光学和辐射类型，额外的非热过程可能导热损失系数thermallosscoefficient单位时间内的热损失程度。光陷阱beamstop用于收集测试样品剩余反射或透射激光辐照的装置。下列符号适用于本文件。(见表1给出的符号、定义和度量单位)2GB/T38245—2019符号定义单位C测试样品、样品夹持器等的热容测试样品上的光束宽度mm测试样品、夹具等的质量P连续功率WPav平均功率WPpk峰值功率W辐照时间s间隔时间sTamb环境温度K温差Kα吸收率1β入射角radY热损失系数λ波长Q脉冲能量Jf重复频率Hz5测试条件5.1测试环境测试间的环境应保持空气过滤、无尘的洁净度要求，且相对湿度小于50%。残留的尘埃应按照GB/T25915.1—2010中定义的7级洁净度要求执行。为了保证尽可能减少热扰动和对流造成的热损5.2测试光源测试中应使用激光作为辐照光源。为了减少误差，所用激光的功率在保证不使元件损伤的前提下要尽可能高。用于测试的激光波长、入射角和偏振态应与测试样品的使用条件相一致。在测试样品的使用波长、5.3测试样品测试样品应放在适当的样品夹持器内。温度传感器应直接与样品表面或与样品夹持器相连接。传感器和样品之间或样品夹持器和样品之间应达到良好的热接触。应采取预防措施，以避免温度传感器和测试样品间的热传导下降。为了提高测试精度，测试样品应安装在具有热屏蔽设计的并带有激3GB/T38245—2019光不会打到样品夹持器和测试舱室壁上。光路中的光学元件的数量应尽可能少，以减少因多次反射或6.1测试原理图单元及数据处理单元等。图1为吸收率测试装置示意图，图中1为激光器，激光器发出的激光经2(反射镜)和4(分光镜)辐照到7(测试样品)上。7(测试样品)、6(样品夹持器)及10(温度传感器)置于5(测试舱室)内。激光辐照时间和温度测试由11(控制单元)和8(计算机)控制及测试，激光功率由12(激光功率计)在照射样品前后测试。7(测试样品)反射和透射的激光由9(光陷阱)收集。2——反射镜；4——分光镜；5——测试舱室；6样品夹持器；图1吸收率测试装置示意图6.2激光辐照的典型特征用于表征测试激光辐照的典型特征的物理量包括：4GB/T38245—2019——连续功率P或平均功率Pav;——峰值功率Pk、脉冲能量Q和重复频率f;——照射时间ts。7.2校准测量前在测试样品(图1中7)前和分光镜(图1中4)后的位置各放置一个校准过的激光功率计来考样品及样品夹持器在测试光路外，将校准过的温度传感器分别固定在测试样品和参考样品上进行温度信号这种情况下，应确定修正系数f.,以补偿对吸收率测试结果的影响根据吸收率测试的计算方法，可以通过已知吸收率α的测试样品，按式(2)或式(5),解出修正系数fe。注1:已知的吸收率可以通过在测试样品表面区域镀一层薄的高吸收率的膜层得到。高吸收率值可以通过有足够注2:一个代替激光光束照射来校准已知吸收率的测试样品的方法是在测试样品表面加装一个电阻，通电产生热能沉积。吸收的功率可以通过RI²得到，R是电阻，I是电流。宜保证电阻和测试样品之间良好的热接触。如为获得最佳测试精度和抑制可能的信号失真(关于信号失真的影响参见附录B),应优化激光光束5GB/T38245—2019的成像和对准。可用一个空的样品夹持器或无吸收的测试样品来验证测试装置不受反射光或杂散光辐射的影响。测试间隔期间的温度波动幅度应至少比吸收率测试期间的温升低一个数量级。7.3吸收率测试光学元件的吸收率按图1所示的测试装置进行测试。测试开始前，应建立热平衡状态，使非线性温度漂移和温度噪声至少比由辐照引起的最高温升低一个数量级。测试期间的最高温升不应超过几K。如吸收率取决于辐照功率、能量密度或测试样品的温度，应在测试报告中注明。测试条件应与元件预期的使用条件一致。测试分三个连续的时间区间进行：——辐照前区间[to,t₁](至少30s);——辐照加热区间[t₁,t₂](ts=t₂-t₁=5s～300s),在此期间开启激光束辐照到测试样品表面；——冷却区间，至少200s。对于热损耗较大的测试样品，吸收功率和热损失的平衡，在温升饱和前，激光辐照应结束。在测试时应记录样品的温度信号T(t)和激光功率信号P(t)。将量热数据集[tg,T(ta)]和[tk,P(t)]存储，用于吸收率的计算。8计算方法在辐照过程中加热部件(测试样品、样品夹持器等)的质量m₁通过称量来确定。热容从相关材料热容表中获得。可用两种方法计算吸收率：指数法或脉冲法。一般情况下，脉冲法适用于激光辐照时间最长至120s,指数法适用于辐照时间最少60s。哪种方法更好取决于测试样品的性能和测试环境(温度数据计算方法参见附录C)。8.2温度漂移的消除在计算吸收率之前，应根据可能出现的温度漂移现象对量热数据进行分析。在存在温度漂移情况下，对辐照前采集的温度数据进行线性拟合。通过从测试中记录的原始温度数据中减去外推拟合值，消除了由此产生的线性拟合函数所描述的近似温度漂移影响。8.3指数法通过式(1)来拟合辐照间隔期内(元件加热区间)的温度数据[t,T(ta)]来确定参数An,B₀,Yn:通过式(2)计算吸收率：…………如是脉冲激光，式(2)中用PAv代替P。指数法计算示例如图2所示。6温度/温度/mK200002说明：1——拟合曲线；2相对温度。时间/s图2指数法测试示例8.4脉冲法测试样品辐照后的温度衰减曲线应以图形方式外推至(t₁+ts)/2(辐照加热区间中间处),测量外推温度Tx。该图形外推应基于A。,B。,γ。三个参数对辐照后记录的负斜率温度数据进行最佳拟合的计算结果。由式(3)得到三个参数通过拟合辐照后温度衰减过程(△T/△t<0)的数据表。温度Tex的计算见式(4):吸收率测得计算见式(5):如是脉冲激光，式(5)中用PAv代替P。脉冲法计算示例如图3所示。0.5Yetg/sinh(Ytg/2)当0.5≤Y.tg≤2时，0.5Y.tg/sinh(Y.tg/2)可以近似地计算为(1-y.²tg²/24)。7GB/T38245—2019温度/mK温度/mK0300400500600B时间/sa)通用信息：1)测试按照GB/T38245—2019执行；2)测试日期；3)测试机构名称地址；b)有关测试样品的信息：2)测试样品制造商；5)测试样品使用说明。c)关于实验设备的信息： 2)其他相关测试设备描述。2)运行模式(连续/脉冲);8GB/T38245—20199GB/T38245—2019(资料性附录)A.1概述素。以下机制对吸收率的测试会有影响。一定的辐照剂量会发生吸收饱和。一些色心可以通过加热元件退火来降低吸收。对于镀膜元件，高功率辐照会造成膜层结构性变化(如后氧化作用)。这会导致吸收率的提高或样品的历史数据情况(之前的辐照周期参数等)。A.3非线性吸收取决于辐照的波长，尤其是紫外波段。对于超短脉冲，还可能影响对可见和近红外波段范围的吸收率。增加。如已知非线性吸收对测试样品的吸收率有显著影响，则宜测定各种功率密度下的吸收率。对获得的吸收率数据和相应的功率密度进行线性拟合。线性吸收率由纵坐标的截距给出，非线性吸收由线性A.4影响吸收率值测试的其他因素需要考虑以下影响测试样品吸收率测试的因素：——测试样品表面清洁不干净会增加吸收。GB/T38245—2019(资料性附录)信号失真的影响B.1温度测试分辨率的影响需要确保温度升高的幅度比温度测试分辨率高很多。B.2散射的影响由测试元件本身或膜层发出的散射辐射会照射到温度传感器上，要注意把这种散射辐射与来自于光路系统其他元件形成的散射辐射区分开，这点对于紫外波段尤为重要。B.3样品低热导率的影响本标准给出的吸收率测试方法是建立在一个基础物理模型上，该模型假设测试样品和夹具总是有很小的温升，而且具有均匀的温度T.。在这样的系统下的温度动力学可用式(B.1)、式(B.2)、式(B.3)微分方程来描述。…………(B.1)该微分方程的解T(t)可由下列指数方程给出。辐射过程中………………(B.2)C有效热容，即测试样品和夹具热容之和，单位为焦每千克开(J/kg·K)。如果激光光学元件由低热导率材料组成，测试吸收率时的温度动力学不能用这种简单的温度均匀分布模型来精确描述。因此，需要使用下列考虑了有限热传导效应的三维热传导方程式(B.4)来描述。▽(k/Cp▽T)+Q(x,y,z)/Cp=ηT…………(B.4)k——热导率，单位为瓦每开厘米[W/(K·cm)];Q——热源，单位为瓦每立方厘米(W/cm³);η——密度，单位为克每立方厘米(g/cm³)。样品表面的边界条件由热对流和辐照损耗以及连接到支架和温度传感器的热电偶决定的。图B.1说明激光量热技术的有限热传导效果。对于一个薄的圆柱形测试样品(吸收率：1,厚度：3mm,直径：25mm),模拟了其热扩散系数在一定范围变化及温度传感器位于径向不同位置的温度信号。假设光束的直径远远小于样品的直径。图B.1展示了同一扩散系数和温度传感器位于不同的径向位置计算出的温度状况。为了便于比较，无限热传导系数的温度曲线也在图中表示出来(0D模型)。GB/T38245—2019温度/K温度/K时间/s1——r=6mm;2——r=7mm;3——0D模型； =9mm; 图B.1温度信号和热传感器位置的依赖性对不同的热导热容比的情况做进一步的理论模拟计算。图B.2是从模拟数据得到的吸收率。吸收率结果以与无限热导率模型计算得到理论吸收率的比值的形式给出。GB/T3824