(高清版)GBT 42403-2023 激光器和激光相關(guān)設(shè)備 激光光譜特性測量方法

激光器和激光相關(guān)設(shè)備激光光譜特性測量方法Testmethodsforthespectralch國家市場監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會1GB/T42403—2023 65波長和帶寬的測量 7 75.2低分辨力測量 5.3高分辨力測量 6波長穩(wěn)定性測量 6.2單頻激光器的波長穩(wěn)定性 7測試報告 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——刪除了ISO13695:2004的第5章，ISO13695:2004的第6章~第8章對應(yīng)本文件的第5章~第7章；第3章);1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測量不確定度評定和表示(GB/T27418—2017,ISO/IECGu3術(shù)語和定義光輻射在標(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):光譜輻射功率(能量)分布為其最大值時的波長。見圖1。加權(quán)平均波長(一階矩)weightedaveragewavelength(firstmoment)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。λλ第i個譜線或第i個模式的波長；I?——第i個譜線或第i個模式的相對輻射功率；射功率的1%。λav3λav=c/vav均方根光譜輻射帶寬(二階矩)RMSspectralradiationbandwidth(secondmoment)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。λ——第i個譜線或第i個模式的波長；I?——第i個譜線或第i個模式的相對輻射功率；光譜輻射功率(能量)分布是其峰值的u%時4圖1激光的光譜特性——參數(shù)定義圖解縱模數(shù)numberoflongitudinalmodesN式(10): (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)。單位溫度T變化引起的激光波長的變化量，見公式(12):單位電流I變化引起的激光波長的變化量，見公式(13):在平均時間r內(nèi)頻率波動的雙樣本方差，見公式(14):〈〉——數(shù)據(jù)集的平均值；y(k)——這個數(shù)據(jù)集中第k次y的測量值；vo——標(biāo)稱頻率。當(dāng)入射波長為單色波長λ。時，儀器在設(shè)定波長λ的輸出信號。6儀器響應(yīng)函數(shù)R(λ,λo)的二階矩，見公式(17):注：通常假定R(a,λo)與輸入波長λ。大致無關(guān)，那么△Am(Ao)也與λ。大致無關(guān)4符號和縮略語下列符號和縮略語適用于本文件，如表1所示。Qm一連續(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符號和縮略語(續(xù))m1λm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)測量時要求的不確定度水平Ua或本文件假定在光束的整個空間功率(能量)分布上激光束的光譜特性都是相同的。如果不是這樣，a)寬帶激光器b)多模激光器：8R=λ/△λin可以達到10?~10?數(shù)量級。9將激光束耦合到測量系統(tǒng)的任何光學(xué)元件(透鏡、平面鏡、光纖等)在測量范圍矩陣(見ISO12005)識別。應(yīng)考慮測量系統(tǒng)的偏振相關(guān)的光譜響應(yīng)。已知光柵單色儀之類的儀器具有折射率的計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、450×10-?(450ppm)的CO?體積分數(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算空氣的折射率(見參考文獻[4]):如果激光器波長(或頻率)測量的不確定度U?/λm=U./vm可接受水平大于10-4,則無需詳細考慮如果波長(或頻率)測量的不確定度Ua/λm=U,/vm可接受水平小于或等于10-4,應(yīng)通過公式(19)校正測量結(jié)果(見參考文獻[4]):f×[3.7345-0.0401×(1000/λ)2×10-10na——空氣的折射率；f——水蒸氣分壓，單位為帕(Pa);1+e是高階p和T校正項，1+e=1+10-?×p×(0.601-0.00972×T);1+x是一個考慮了CO?體積分數(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10-6,兩個校正項都可視為等于1。如果激光器波長(或頻率)測量不確定度U?/λm=U,/vm的可接受水平小于10-7,波長測量應(yīng)在真中等尺寸的光柵單色儀(焦距約為30cm)適合低分辨力測量。單獨一臺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束。應(yīng)牢記，如果使如果儀器在關(guān)注的波長范圍內(nèi)掃描，步長應(yīng)適應(yīng)所需的分辨力。記寬的時間小得多。例如，這兩個時間中后者為前者的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)在測試報告中說明?？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小于其最大值的1%,例c)將結(jié)果記錄在測試報告數(shù)據(jù)表中。一個CCD相機或線性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)進行比較，確定光源的光譜分布。對于斐索條紋，這種關(guān)系是線性自延遲零差法是測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：8.—-拍頻。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; 1)參考的標(biāo)準(zhǔn)(本文件);2)測試日期；3)測試機構(gòu)的名稱和地址；4)執(zhí)行測試的個人姓名。1)激光器類型；2)制造商；3)制造商的型號名稱；4)序列號。1)被測激光波長；3)工作模式(連續(xù)或脈沖);4)激光參數(shù)設(shè)置：—脈沖持續(xù)時間；5)模式結(jié)構(gòu)(如果已知);6)偏振態(tài)；7)環(huán)境條件：1)測試儀器：2)測量時間(脈沖激光的脈沖數(shù))。4)峰值波長λp;5)中心波長λ;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)空氣的折射率A.1水蒸氣分壓的測定為了將相對濕度和露點溫度轉(zhuǎn)換為水蒸氣壓強，可以用水飽和壓強pv的公式(A.1),單位為Pa(見參考文獻[5]):式中：F?！獙⑿盘栟D(zhuǎn)換為單位Pa的轉(zhuǎn)換因子(F,=1Pa);A.2在大范圍的波長和大氣條件下折射率的高精度計算在常規(guī)測量和/或有可編程計算機的情況下，Ciddor(6開發(fā)的公式可能有用。這些公式適用于整個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%的相對濕度和零下溫度。定義的標(biāo)準(zhǔn)條件與這里使用的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件相同。A.3可選用的標(biāo)準(zhǔn)條件由于歷史的原因，選擇5.1.5所述的標(biāo)準(zhǔn)條件。但是，現(xiàn)在大多數(shù)實驗室溫度保持在20℃左右，材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定長度測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20℃時，推導(dǎo)了折射率隨波長、溫度、壓強、濕度和二氧化碳濃度變化的替代公式(見參考文獻[5])。在可見光波段，這些公式非常準(zhǔn)確，而且在接近標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下工作時，例如在良好控制大氣的實驗室溫度非常接近20℃時，簡化了校正。(資料性)光柵單色儀及其附件的選擇準(zhǔn)則——校準(zhǔn)B.1簡介光柵單色儀的性能與其光柵的衍射特性和尺寸、相對于光柵尺寸的儀器大小以及關(guān)注的光譜范圍直接相關(guān)。這里考慮裝有反射式衍射光柵的儀器?？捎霉鈻殴?B,1):sina?+sinaz=kNλ…………(k——衍射級；N單位長度的刻槽數(shù)；在大多數(shù)情況下，入射角a?非常接近衍射角az,a?≈a?=a,因此2sina=kNλ。B.1.2理論分辨本領(lǐng)使用k級衍射的理論分辨本領(lǐng)R.為：式中：L.——使用的有效尺寸(與刻槽垂直)。B.1.3實際分辨本領(lǐng)實際分辨本領(lǐng)不僅取決于光柵，還取決于儀器的機械特性、光學(xué)特性和光譜范圍。用一個品質(zhì)因數(shù)F?全面描述分辨本領(lǐng)相對于理論值的下降：F,=F?FRpk=F??Fg?kR?對光學(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 對光學(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,x>0.7μm;——F?=0.5,0.4μm<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(或者使用的CCD陣列的探測器像素的尺寸)可以做得與衍射極限(AL()/(L.cosα)限制的尺寸一樣小。在短波長區(qū)域可能很難實現(xiàn)只有當(dāng)衍射級k=1時，全息光柵的衍射效率近似恒定(約30%～50%)。那么配有全息光柵的單閃耀光柵的閃耀角與刻槽面相對于基底平面的傾斜度有關(guān)。閃耀角αB對應(yīng)于效率最高的一級衍——S=0.9,λ=λs。kNλmin=2sinamin,kNλmx=2sinamx(資料性)法布里-珀羅干涉儀是測量連續(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P,(o)=λ2P?(λ),Q,(a)=λ2Q(λ)法布里-珀羅干涉儀的第二個特征是它的精細度F,由其反射鏡的反射率R通過公式(C.3)確定：然后，法布里-珀羅諧振腔的分辨極限為8=(orsR)/F,干涉儀的分辨本領(lǐng)見公式(C.4):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入諧振腔(掃描折射率n),或通過掃[1]ISO12005Lasersandla[2]BARNES,J.A.,et