ICS 31.260 L 51
中华人民共和国国家标准
GB/T 328312016
高能激光光束质量评价与测试方法
Evaluation and test methods for beam quality of high energy laser
2017-03-01实施
2016-08-29 发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 发布中国国家标准化管理委员会 GB/T 32831—2016
前言
本标准按照 GB/T1.1一2009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：中国工程物理研究院应用电子学研究所、国防科技大学、四川大学、中国电子科技
集团公司第十一研究所。
本标准主要起草人：田小强、刘泽金、冯国英、周朴、赵鸿、姜东升、周文超、李玮、王小林、唐淳、张凯、 杨火木、韩敬华、周寿桓
I GB/T 32831--2016
高能激光光束质量评价与测试方法
1 范围
本标准规定了采用β因子、BQ因子、BPF 因子和M 矩阵对高能激光光束质量的评价与测试方法。 本标准适用于持续时间不小于0.25 s、功率不小于10kW或脉冲能量不小于500J的高能激光光
束质量的评价和测试，其他类型高能激光的评价可参照执行。
规范性引用文件
2
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 GB/T7247.14激光产品的安全　第14部分：用户指南 GB/T13962—2009　光学仪器术语 GB/T15313-2008　激光术语 JF1059.1—2012测量不确定度评定与表示 ISO11146-3:2004激光和激光相关设备激光束宽度、发散角和光束传输比试验方法第3部
分：内在和几何激光束的分类、传播和试验方法细则（Lasers and laser-related equipment-Test methods for laser beam widths,divergence angles and beam propagation ratios--Part 3: Intrinsic and geometrical laser beam classification,propagation and details of test methods)
3术语和定义
GB/T13962一2009和GB/T15313一2008界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
参考光束 reference beam 用于评价光束质量的理想光束。高斯光束的参考光束为理想基模高斯光束,非高斯光束的参考光
束为强度与相位分布均匀的理想平面波光束。
注：对非高斯光束,参考光束横截面可为圆形、圆环形、矩形或空心矩形，选取方法见附录 A。
3.2
桶中功率比 power(ratio)in the bucket u 在光束横截面内，以光束轴为中心的一定直径或宽度区域内功率与光束总功率之比
3.3
远场发散角far-field divergence angle ①u 桶中功率比为u的远场光束直径或宽度与传输距离的比。
3.4
衍射极限角diffraction limit angle 理想平面波参考光束远场衍射中心亮斑宽度对应的远场发散角。
1 GB/T 32831-2016
3.5
中心遮拦比 concentric obscuration ratio
E
空心束内环直径或宽度与外环直径或宽度的比值。 注：空心束横截面形态包括圆环形和空心矩形。
3.6
β因子factor β β 被测光束的远场发散角与参考光束的衍射极限角的比值。 注：被测光束远场发散角内含桶中功率比与参考光束衍射极限角内桶中功率比相等。
3.7
BQ 因子 factor BQ BQ 参考光束与被测光束在衍射极限角内桶中功率比之比的平方根值。
3.8
BPF 因子factor BPF BPF 被测光束与圆形参考光束在衍射极限角内桶中功率比之比。
3.9
M矩阵 matrix M M
[M1M4,] [M4,M,]
M矩阵由2×2矩阵 M4，M4,为实验室坐标系下α 方向与y方向的交叉项。对 M矩阵的描述参见附录 B。
表示,其中 M 和M,分别为实验室坐标系下 和方向上的
4评价方法
4.1概述
应根据不同光束特性，选择相应的光束质量评价方法： a）当关注的远场光束宽度大于衍射极限角对应的光束宽度时，宜采用β因子评价光束质量； b）当关注的远场光束宽度与衍射极限角对应的光束宽度相近时，宜采用BQ因子或 BPF 因子评
价光束质量； c）当被测光束具有非旋转对称传输特性时，宜采用 M 矩阵评价光束质量。
4.2β因子
β因子的计算按式(1)：
β = @ureal / @u,ref = d u,real / d u, ref
(1)
式中: Du, real - 被测光束远场发散角，内含桶中功率比与参考光束衍射极限角内桶中功率比相等； @u,ref - 参考光束衍射极限角，桶中功率比u的计算方法见附录A； d u,real 被测光束远场光束直径或宽度，内含桶中功率比与参考光束衍射极限角内桶中功率比
相等;
d u.ref - 参考光束衍射极限角对应的远场光束直径或宽度，计算方法见附录A。
2 GB/T 32831--2016
d）需采取隔振和光电噪声屏蔽等措施,保证振动与杂散光等外界因素对测试的影响在测试装置
允许范围内；
e）工作电压应满足测试对象和测试装置使用要求。 5.1.2测试装置
测试装置要求如下： a） 测试装置的响应波长应与被测激光波长相匹配，光谱滤波器引人的像差均方根值（rms)应小
于测试波长的十分之一; b） 测试装置的响应时间应满足被测激光要求； c） 测试装置的线性动态范围应大于300； d) 测试装置的有效通光直径宜大于被测光束直径的1.2倍； e） 测试装置的光束变换部分引入的像差均方根值（rms)应小于测试波长的十分之一，引人的空
间光强调制度宜小于1.2； f）光束衰减器的抗激光损伤阈值应高于被测激光的功率或能量。衰减倍率应满足测试装置探测
动态范围的要求,并在使用前应对其进行标定。光束衰减器由于波长、偏振、非线性、非均匀性等因素引起的光束质量相对变化应在使用前进行标定，且宜小于5%；
g）BPF因子测试装置中的分束镜分光比为1：1; h）测试装置应经校准，且在有效期内使用。
5.1.3安全防护
应按GB7247.1和GB/T7247.14的要求，对工作人员和测试装置采取高能激光辐射安全防护措施。 5.2 β 因子测试方法 5.2.1测试装置
测试装置示意图如图1所示。
24
说明： 1-被测激光束; 2—光束衰减器; 3——光谱滤波器(必要时);
4—光束变换系统; 5——面阵探测器;
61 -数据采集处理系统。 图1β因子测试装置示意图
被测激光束经过光束衰减器、光谱滤波器和光束变换系统后，聚焦于面阵探测器上，数据采集系统获得每一顿光斑强度分布，根据强度分布计算出被测激光束远场光束直径或光束宽度，再计算出光束质量β因子。 5.2.2测试步骤
测试步骤如下： a）利用与被测光束同轴的指示光，调整测试装置位置与角度，应使指示光进人测试装置未被遮 4 GB/T 32831—2016
挡，面阵探测器位于光束变换系统的焦面上，光斑图像应在面阵探测器输出图像中心区域，关闭指示光;
b） 根据被测光强量级和面阵探测器动态范围，选择合适衰减倍率的光束衰减器，宜使测试装置输
出图像峰值光强处于动态范围的2/3以上，但不饱和；采集背景图像,采集帧数应大于50顿，计算平均本底和噪声标准差；
c）
d）出光过程中采集被测光束的远场光斑强度分布图像； e）‘ 扣除平均本底顿和噪声标准差（处理方法见ISO11146-3:2004第3章）。以光斑强度分布一
阶矩质心为中心，计算出桶中功率比为uret 的光束直径或光束宽度。对圆形和圆环形参考光束，uref的计算方法见式（A.4）。对矩形和空心矩形参考光束，urer 的计算方法见式（A.12）和式 (A.13) ;
f）计算参考光束的光束直径或光束宽度。对圆形和圆环形参考光束，计算方法见式（A.2)和式
（A.3）。对矩形和空心矩形,计算方法见式（A.8)～式（A.11)； g）按式(1)计算β因子。
5.2.3不确定度评定
对于需要进行不确定度评定的按JJF1059.1一2012规定的方法进行。 5.3BQ因子测试方法 5.3.1测试装置
测试装置原理框图如图1所示。被测激光束经过光束衰减器、光谱滤波器和光束变换系统后，聚焦于面阵探测器上，数据采集系统获得每一顿光斑强度分布，根据光斑强度分布以一阶矩质心为中心，计算出被测光束在参考光束衍射极限角内的桶中功率比，再计算出参考光束衍射极限角内的桶中功率比，得到 BQ因子。 5.3.2测试步骤
测试步骤如下： a）利用与被测光束同轴的指示光，调整测试装置位置与角度，应使指示光进人测试装置未被遮
挡，面阵探测器位于光束变换系统的焦面上，光斑图像应在面阵探测器输出图像中心区域，关闭指示光；
b）根据被测光强量级和面阵探测器动态范围，选择合适衰减倍率的光束衰减器，宜使测试装置输
出图像峰值光强处于动态范围的2/3以上，但不饱和；采集背景图像,采集顿数应大于 50顿,计算平均本底顿和噪声标准差；
C）
d）出光过程中采集被测光束的远场光斑强度分布图像； e）扣除平均本底顿和噪声标准差（处理方法见ISO11146-3:2004第3章）； f)i 计算参考光束衍射极限角对应远场光束直径或宽度，以及内含桶中功率比，计算方法见附
录A;
g）根据被测光束光斑强度分布，以一阶矩质心为中心计算出在参考光束衍射极限角内的桶中功
率比,按式(2)计算 BQ因子。
5.3.3不确定度评定
对于需要进行不确定度评定的按JJF1059.1一2012规定的方法进行。
5 GB/T 32831-2016
5.4BPF 因子测试方法 5.4.1测试装置
测试装置示意图如图2所示。
白的
说明： 1- 被测激光束； 2—光束衰减器; 3——光谱滤波器(必要时)； 4—-光束变换系统;
5—分束镜; 6——小孔； 7 功率探测器1; 8———功率探测器2。
图 2 BPF 因子测试装置示意图
被测激光束经过光束衰减器、光谱滤波器和光束变换系统后，被分束镜分为两束，一束直接进人功率探测器1,另一束经过通光直径为du,ref 的小孔后，进人功率探测器2，用于测试衍射极限角内的桶中功率,计算 BPF 因子。 5.4.2测试步骤
测试步骤如下： a）利用与被测光束同轴的指示光，调整测试装置位置与角度，应使指示光进人测试装置未被遮
挡，保证指示光与测试系统共轴，功率探测器1与小孔分别位于光束变换系统的焦面上，功率探测器2紧贴小孔放置；
b）i 调整功率探测器2和小孔的相对位置，保证聚焦光束几何中心与小孔中心重合，使得透过小孔
的光束全部进人功率探测器2中，关闭指示光； c）根据被测光束功率量级和探测器动态范围，选择合适衰减倍率的光束衰减器，使得功率探测器
接收功率处于线性范围内且未饱和； d)） 出光过程中，记录功率探测器1的输出功率，计算被测激光输出总功率Pt；记录功率探测器2
的输出功率,计算被测激光在圆形参考光束衍射极限角内的功率Ph; e）按式(3)计算光束质量BPF因子。
5.4.3不确定度评定
对于需要进行不确定度评定的按JJF1059.12012规定的方法进行。 5.5M矩阵测试方法 5.5.1测试装置
测试装置示意图如图3所示。
6