激光束的中心被定義(yi) 為(wei) 功率密度分布的質心或一階空間矩。因此，光束的當前傳(chuan) 播軸是連接在均勻、同質介質中的兩(liang) 個(ge) 不同平麵上同時測量的兩(liang) 個(ge) 質心的直線。光軸不穩定性的特征在於(yu) 橫向位移和角運動，它們(men) 在時間上是單調的、周期性的或隨機的。激光束的運動可以是隨機分布的，並且在所有方向上的振幅都是一致的。一般來說，光束可以在一個(ge) 方向上移動更大的量。如果一個(ge) 方向占主導地位，本國際標準中的規定可用於(yu) 確定主軸(光束x軸)及其相對於(yu) 實驗室係統光軸的方位角位置。本國際標準提供了測量這些量的一般原則。此外，還提供了光束位置相關(guan) 術語和符號的定義(yi) 。
ISO國際標準定義(yi) 的激光光束穩定性的測量方法
1，測試範圍
本國際標準規定了確定激光束位置和角度穩定性的方法。本國際標準中給出的測試方法旨在用於(yu) 激光器的測試和表征。
2，引用標準
ISO 11145:2001，光學和光學儀(yi) 器激光和激光相關(guan) 設備詞匯和符號
ISO 11146:1999，激光和激光相關(guan) 設備激光束參數測試方法，束寬、發散角和束傳(chuan) 播因子
IEC 1040:1990，測量激光輻射功率能量的探測器、儀(yi) 器與(yu) 設備
3，術語及定義(yi)
3.1 角向移動 angular movement
αx，αy
激光光束在X-Z和Y-Z平麵內(nei) 的角向移動量。
注：這些量在光軸坐標係X、Y、Z中定義(yi) 。如果X方向與(yu) Y方向的角向移動之比不大於(yu) 1.15：1，則認為(wei) 光束的角向移動是旋轉對稱的，這種情況下隻用一個(ge) 值表征角向移動，符號記作α。
3.2 光束指向穩定性 beam angular stability
δαx δαy
光束角向移動的2倍標準方差。
注：這些量在光軸坐標係X、Y、Z中定義(yi) 。如果X方向與(yu) Y方向的指向穩定性之比不大於(yu) 1.15：1，則認為(wei) 光束的指向穩定性是旋轉對稱的，這種情況下隻用一個(ge) 值表征光束指向穩定性，符號記作 δα。
3.3 原點 pivot
所有瞬時光軸與(yu) Z軸的交匯點。
3.4 橫向位移 transverse dISPlacement
αx，αy
激光束沿X-方向和Y-方向的橫向移動的距離。
注1：這些量在光軸坐標係X、Y、Z中定義(yi) 。如果X方向與(yu) Y方向的指向穩定性之比不大於(yu) 1.15：1，則認為(wei) 光束的橫向位移是旋轉對稱的，這種情況下隻用一個(ge) 值表征橫向位移，符號記作a。
注2：橫向位移的測量不是本標準的內(nei) 容之一。
3.5 光束位置移動beam positional movement
在Z’平麵上激光束質心位置的移動。
注:在Z平麵上的位置移動由激光束的橫向位移和角向移動疊加形成。
3.6 光束位置穩定性 beam positional stability
Δx(z’) ，Δy(z')
在Z’平麵上光束位置移動的2倍標準方差。
注:這些量在光軸坐標係X、Y、Z中定義(yi) 。如果X方向與(yu) Y方向的光束位置穩定性之比不大於(yu) 1.15：1，則認為(wei) 光束的位置穩定性是旋轉對稱的，隻用一個(ge) 值表征，這種情況下符號記作Δ(z')。
3.7 光束相對指向穩定性 relative beam angular stability
光束的指向穩定性與(yu) 遠場發散角的比值。
注：對於(yu) 橢圓光束而言通常情況下光束位置穩定性的主軸與(yu) 激光束傳(chuan) 輸的光軸不重合，需使用有效遠場發散角
3.8 光束相對位置穩定性 relative beam positional stability
在Z’平麵上的光束位置穩定性與(yu) Z’平麵上的光束直徑的比值。
注：對於(yu) 橢圓光束而言，由於(yu) 通常情況下光束位置穩定性的主軸與(yu) 激光束傳(chuan) 輸的光軸不重合，故需使用有效光束直徑
3.9 光束穩定性參數積 beam stability parameter product
Sx，Sy，S
沿著光束傳(chuan) 輸方向光束位置穩定性最小值和光束指向穩定性的乘積。
注：與(yu) 光束直徑的情況類似光束穩定性的傳(chuan) 輸正如3.6中注的定義(yi) ，也遵循雙曲線傳(chuan) 輸定律。可用三個(ge) 參數來表征光束穩定性的傳(chuan) 輸特性：最小光束位置穩定性的位置Z0，光束位置穩定性的最小值Δ0和光束指向穩定性a。一般來說,激光光束的位置穩定性最小值所在的位置Z0與(yu) 激光束的束腰位置不一致。
3.10 光束啟動時的位置改變
在激光器開啟或關(guan) 閉瞬間的光束位置與(yu) 激光器工作較長時間(大於(yu) 預熱時間)的光束位置的偏差。
3.11 短期穩定性 short-term stability
光束在1s時間間隔內(nei) 的穩定性。
3.12 中期穩定性 medium-term stability
光束在1min時間間隔內(nei) 的穩定性。
3.13 長期穩定性 long-term stability
光束在1h時間間隔內(nei) 的穩定性。
4，坐標係和光軸
4.1 光軸分布
光軸分布由多次(n>1000)測量光軸方向獲得。
光軸分布的標準方差可描述光軸的移動。該標準方差沿不同方向上可以是不同的，即光軸分布不一定是圓對稱的，其在某一個(ge) 主方向的幅度可以大於(yu) 其他任何方向。
4.2坐標係的選取
4.21概述
本標準中采用的坐標係均為(wei) 右手坐標係。
圖1 光軸坐標係XYZ與(yu) 實驗室坐標係XY,Z坐標係示意圖及其A視圖
4.2.2 實驗室坐標係(X'、Y'、Z'坐標係)
實驗室坐標係中的三個(ge) 正交方向由X'、Y'、Z'定義(yi) 。Z'軸起點位置由激光器生產(chan) 商給定的參考麵 X’-Y’麵定義(yi) (例如激光器前端麵)，以使激光束沿著Z'軸的方向近軸傳(chuan) 輸(偏差小於(yu) 10°)。
4.2.3 光軸坐標係(X、Y、Z)
光軸坐標係是第二個(ge) 正交坐標係,坐標係X、Y、Z見圖1a),其規定如下：
——Z是激光器處於(yu) 穩態時由光束的一階強度矩給出的平均光軸方向；
——X定義(yi) 為(wei) 遠場時光軸的非對稱分布的最大幅度方向。
注1：不要將光軸分布的非對稱性與(yu) 激光功率分布的非對稱性相混淆。
注2：光軸坐標係和實驗室坐標係起點位置相同。
4.2.4方位角
方位角中是指光軸坐標係的X相對於(yu) 實驗室坐標係的X'的轉角。
5，測試原理
5.1光束位置穩定性測試原理
光束位置穩定性可由位置敏感探測器直接測量或在成像元件的像平麵位置測量。光束的質心位置由在X、Y、Z測量的光強分布的一階矩計算,表示實驗室坐標係(X'、Y'、Z')中光軸的瞬時位置。光軸位置穩定性由一段時間內(nei) (短期、中期、長期)質心位置變化的標準方差計算。
5.2光束指向穩定性測試原理
光束指向穩定性需在聚焦元件的焦平麵上由位置敏感探測器進行測量。激光束在遠場的質心位置由在X、Y、Z測量的光強分布的一階矩計算,表示在實驗室坐標係(X'、Y'、Z')中光軸的瞬時方向。光束指向穩定性由一段時間內(nei) 光束角向移動的標準方差計算。
6，測試過程，測試儀(yi) 器和其他輔助元器件
6.1測試準備
測試工作開始前，應確認以下情況：
a)測試前需準備合適的光學調整器件,使激光束與(yu) 測量係統共軸；
b) 光學係統的視場應包括整個(ge) 光束截麵。光束截斷和衍射引起的損耗占最後測量誤差的比重不應大於(yu) 1%。在放置分束器、衰減器和透鏡等光學元件時，應保證光軸通過它們(men) 的幾何中心。應采取措施避免由反射環境噪聲熱輻射和空氣擾動等引起的係統誤差；
c) 在測量開始前，激光器應接生產(chan) 商的規定預熱到達到熱平街狀態,測試器太也應達到熱平衡；
d) 在初始準備工作完成後，應檢查是否全部光束入射到了探測器表麵。可在每個(ge) 光學元件的前麵插人不同孔徑的光闌，當光闌使激光功率減小了5%時，所用光闌的孔徑不應大於(yu) 其後光學元件口徑的0.8倍。
6.2 測試環境要求
放置被測激光器和測量係統的測試台的穩定性應高於(yu) 被測激光器的穩定性。需采取隔震、減噪和控溫等措施，保證外界因素或係統誤差對測量結果的誤差影響不超過10%。這些措施包括對測試設備的機械和聲響隔振、對實驗室和激光器冷卻係統(由廠家規定)控溫，對外界光電噪聲的屏蔽和使用低噪聲的電氣裝置等。
6.3探測器係統
在測試光束的指向和位置穩定性時，測量光強分布的一階矩應符合ISO11146:1999的規定。隻有當被測光束在每次測試中的光強分布不發生變化時才可使用如光電二極管、四象限探測器等簡單探測器。探測器係統的空間分辨率和信噪比決(jue) 定測試精度。
探測器係統應與(yu) 其要求一致。應考慮隻有相對測量是必需的,並且應強調以下幾點:
應根據生產(chan) 廠商的數據或標定結果確認探測器係統的輸出參量(如電壓等)與(yu) 輸出參量(如激光功率)之間為(wei) 線性關(guan) 係；應通過標定盡量減小或校正探測器的非線性、非均勻性和波長依賴性；應采取措施確保激光入射到探測器時，不超過探測器表麵的損傷(shang) 閾值(輻照度曝光量、功率和能量)。
6.4光束變換係統、光學衰減器、分束器、聚焦元件
如果被測激光光束口徑大於(yu) 探測器口徑，應采用適當的光學變換係統對光束進行變換，使其適應探測器的口徑。應根據被測激光的波長選擇合適的光學元件。
當入射激光的功率超過探測器的工作閾值時，應使用光學衰減器。光學衰減器應盡量避免由波長、偏振、非線性、非均勻性等引起的誤差。在使用光學衰減器前需對其進行標定，以減小可能引起的誤差。在用於(yu) 高功率激光時，應避免由高功率導致的激光束的畸變。
聚焦係統除了滿足以上對於(yu) 光學係統的要求外，還應滿足以下要求：
應是“無像差的係統”即由光學係統的像差引起的誤差應小於(yu) 無像差的理想情況下測量總誤差的20%；焦距和主麵位置的不確定性應小於(yu) 焦距的1%；
應選擇聚焦元件的口徑使其包含整個(ge) 入射光束，光束截斷和衍射損耗占最後測量誤差的比重不應大於(yu) 1%；
所有光學元件都不應對光束相對功率密度分布產(chan) 生明顯影響。當將激光束成像於(yu) 探測器麵進行測試時,計算中應包含成像係統的放大倍數。
6.5 標定
應在開始測量前對儀(yi) 器進行標定。可通過在一已知距離使用兩(liang) 個(ge) 正交放置的微米精度線性平移導軌移動位置敏感探測器進行標定。
7，測試程序
7.1概述
測量應該在激光器生產(chan) 商評估本款激光器所規定的工作條件下進行。
在測試過程中，對被測光束的取樣應至少大於(yu) 1000次。探測器的帶寬,包括與(yu) 之相連的放大器及其他電子設備的帶寬，應當大於(yu) 2次測量時間間隔的倒數的3倍。
注：在選用相機類的探測器時，測試係統的帶寬受相機幀頻的限製。
7.2光束位置穩定性
為(wei) 了測試任意位置Z’處的光束位置穩定性，探測器應放置於(yu) Z’處或者Z’的像可被成像到探測器上。當測量短期穩定性時，應在1s測量時間內(nei) 測量光軸變化。當測量中期穩定性或長期穩定性時，應在1min內(nei) 或1h內(nei) 記錄測量光軸的變化。
7.3光束指向穩定性
為(wei) 了測試光束指向穩定性探測器應放置在聚焦係統的焦平麵位置。當測量短期穩定性時，應在
1s測量時間內(nei) 源量光軸變化。當測量中期穩定性或長期穩定性時，應在1min內(nei) 或1h內(nei) 記錄測量光軸的變化。
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