ICS 31. 260 L 51
中华人民共和国国家标准
GB/T 13739—2011
代替GB/T 13739--1992,GB/T 13740—1992,GB/T 13741—1992
激光光束宽度、发散角的测试方法
以及横模的鉴别方法
Test methods for laser beam widths,divergence angle and transverse mode
2012-05-01实施
2011-12-30 发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标淮花管理委员会 发布 GB/T 13739—2011
目 次
前言 1 范围 2 规范性引用文件
术语和定义要求 4.1 测试环境的要求 4.2 测试设备的要求 4.3 安全防护 4. 4 测试方法的选择 4.5 测试准备 5激光光束宽度测试方法 5.1 激光光束宽度标准测试方法 5.2 激光光束宽度替代测试方法 6激光光束发散角测试方法 6.1　测试原理· 6.2测试程序 6.3 测试结果· 7横模的鉴别方法 7.1目测鉴别法 7.2常见横模光斑图样附录 A(资料性附录) 本标准与 GB/T 13739- —1992.GB/T 13740 —1992和GB/T13741--1992
3 4
+
11
11 11 11 12 12 12
比较的主要技术变化
13 15
附录B（规范性附录） 小孔扫描测试方法 GB/T 13739-—2011
前言
本标准按照GB/T 1.1一2009给出的规则起草。 本标准代替GB/T13739-—1992《激光辐射横模鉴别方法》、GB/T13740—1992《激光辐射发散角测
试方法》和GB/T13741—1992《激光辐射光束直径测试方法》，与GB/T13739—1992、GB/T13740 一 1992和GB/T13741一1992相比，主要技术变化比较大，详细内容参见资料性附录A。
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：北京光电技术研究所、中国电子科技集团公司第十一研究所。 本标准主要起草人：吴爱平、段振广、卢永红、李嘉伦、罗志军、赵鸿。 本标准所代替标准的历次版本发布情况为：
GB/T 13739—1992; GB/T 13740—1992;
-GB/T 13741---1992。
1 GB/T 13739—2011
激光光束宽度、发散角的测试方法
以及横模的鉴别方法
1范围
本标准规定了激光光束宽度、发散角的测试方法以及横模的鉴别方法。 本标准适用于对在均匀介质自由传播、并在传播中功率密度分布取向相同或正交的激光光束进行
光束宽度、发散角的测试。本标准适用于激光辐射高斯光束的横模的鉴别。
本标准不适用于列阵类半导体激光器。
2规范性引用文件
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、要求和用户指南 GB/T 15313激光术语 GB/T19022测量管理体系测量过程和测量设备的要求 ISO 11146-1激光和激光相关设备激光束宽度、发散角和束扩散率的试验方法第1部分：无
象散和简单象散束(Lasers and laser-related equipment--Test methods for laser beam widths, diver- gence angles and beam propagation ratios--Part l :Stigmatic and simple astigmatic beams)
ISO/TR11146-3激光和激光相关设备激光光束宽度、发散角和束扩散率的试验方法第3部分：内在和几何激光束分类、扩散和试验方法细节（Lasers and laser-related equipment 一Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios--Part 3: Intrinsic and geomet- rical laser beam classification, propagation and details of test methods)
3术语和定义
GB/T15313与GB7247.1界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3. 1
实验室坐标系 laboratory coordinate system 定义实验室坐标系的X,Y,Z轴规定空间三个正交方向，习惯上 Z轴和光束轴重合，X和Y轴分别
与水平和竖直方向→致，或以矩形阵列探测器的长短边方向-致，坐标原点选在Z向测量参考的起点。 3. 2
测量平面 measurement plane 在轴向位置（z）进行光束功率（或能量）密度分布测量的X-Y平面称为测量平面。 注：术语“功率密度分布 E(,y，z)”属于连续波光源，在脉冲光源的情况，用"能量密度分布 H(,y,z)”代替。
3.3
主轴坐标系 principal axes coordinate system 定义测量平面内光束功率密度分布的主轴坐标系的X，Y"，Z轴规定空间三个正交方向，其X'轴
1 GB/T 13739—2011
式中: a- 功率(或能量)密度分布在主轴X'方向的中心二阶矩平方根。
(7)
d =4g(z)
式中: ,-功率(或能量)密度分布在主轴Y"方向的中心二阶矩平方根。 光束宽度决定光束的几何形状，最小和最大光束宽度之间的比见式（8)，表示为：
da d.
:
(8)
式中:
光束的椭圆度；
2
d—最小光束宽度; da- 最大光束宽度。 如果光束的椭圆度大于0.78，则认为功率（或能量)密度分布是圆形的，否则认为光束是椭圆形的。
光束直径[见式（9)表示为：
d.(z) =2/2( +0,)
.(9)
式中: d。(z)-.光束直径。
3.7
光束传输比 beam propagation rations M",M,.M? 激光束的光束参数(即束腰宽度和远场发散角）乘积,与相同波长 TEMo.模的Gaussian 光束的光束
参数乘积的比值。
对于椭圆形光束[见式（10）、（11)表示为：
", dao?
M =-
( 10 )
4
1
式中: 7 dao- 主轴方向的束腰宽度; Ba 主轴方向α'的光束发散角。
-波长；
"
M- ". dyoBy
(11 )
4
1
式中: d——主轴方向'的束腰宽度; D- 主轴方向的光束发散角。 对于圆形光束[见式(12)}表示为：
M?-". d.@.
.( 12 )
1 4
式中; d—束腰直径; @ 光束发散角。
3 GB/T 13739—2011
4要求
4.1测试环境的要求
应该满足被测激光器和所用测试仪器使用说明书中规定工作环境条件。通常一一般测试在环境温度
15℃ ～ 35 ℃,相对湿度 45%～75%的常压条件下进行;仲裁测试在环境温度(25士2)℃,相对湿度 45%～55%的常压下进行。整个测量系统应处于无明显振动、气流、烟尘和杂散辐射的环境中,不得有影响测量结果的干扰。 4.2测试设备的要求
测试仪器设备应符合GB/T19022的要求。本标准强调以下几点： a）对光学零件的要求：测试所用光束变换和/或聚焦的光学零件要适应所测激光波长，应尽量满
足无像差的要求，并要有足够的孔径，使得其所造成的总功率（或能量)损失不大于1%； b)）) 对光衰减器的要求：测试所用光衰减器应使其对波长依赖性、偏振依赖性、角度依赖性、非线
性和非均匀性最小，或可通过标定和数据处理得到一定程度的修正； c) 对光学系统的要求：测试所用光学系统应尽量减少散斑和干涉效应引起的于扰，使相对功率密
度分布没有明显变化； d）对探测器系统的要求：所用阵列式探测器覆盖光束短主轴方向光束宽度的像素数不应低于
100。探测器的动态范围不低于8bit。需特别细心查明探测器表面的损伤阈值，以便不被激光光束击穿。应从制造者的数据或通过测量确认探测器系统的输出量（例如电压）与输人量（激光功率)成线性关系，并标定探测器系统的波长依赖性、非线性和非均匀性，使得可能经数据处理得到一定程度的修正。
4.3安全防护
测试过程的安全防护应符合GB7247.1的有关规定。 4.4测试方法的选择
测试方法的选择应根据被测激光设备和所具有的测试设备条件，由本标准规定的其中一种方法进行测试。小孔扫描方法按附录 B中规定的试验方法进行。 4.5测试准备
测试工作应按以下要求做好准备： a）了解所测激光的输出特性和技术规范，按有关测量参数选择测量方法，组成适用的测量系统； b），采取诸如试验装置机械振动的隔离，屏蔽外部的辐射，实验室的恒温等适当措施，使所测量结
果的不确定性最低； c) 应该特别小心，在高功率激光光束路径的大气环境中，确保不含有吸收激光辐射和引起被测光
束热畸变的气体和水汽；
d）调整测量系统和/或被测激光器，使两者共轴； e): 按照实验室安全规则和激光防护要求，对场地和仪器设备检查，符合要求后方可进行测试。
4 GB/T 13739—2011
5激光光束宽度测试方法
5. 1激光光束宽度标准测试方法 5. 1. 1 概述
按照 ISO 11146-1 的规定,采用二维阵列探测器记录测量平面内的功率(或能量)密度分布,计算该分布的中心二阶矩，从而确定光光束的宽度。称为密度分布方法，定义为标准方法。
对于难于找到合适阵列探测器的激光光束宽度测量，则采用扫描探针采集图象法。用小孔探针对光束进行二维扫描采样，得到光束功率（或能量）密度分布。 5.1.2阵列探测器采集图象法(CCD法） 5.1.2. 1测试原理
测试装置见图 1。利用二维阵列探测器(如面阵 CCD、面阵 CMOS、面阵热释电等光探测器件）,采集测量面内光束的功率（或能量)密度分布，对采集数据施加适当的背景修正。对测得的功率（或能量）密度分布计算一阶矩和中心二阶矩，再从中心二阶矩确定光束宽度d（)和d（z）,如果符合圆形功率（或能量)密度分布的条件，则确定光束直径d。（z）)。
3
说明： 1-—激光器; 2——光束变换衰减系统; 3—-CCD 接收器; 4--计算机; 5—-CCD 式激光束诊断分析系统。
图 1CCD法测定光束宽度的装置
5. 1. 2. 2测试程序
测试程序按下列步骤进行： a） 激光器至少预热1h(或按制造商说明），达到正常工作； b) 按照光束和探测器尺寸，确定是否需要对光束进行变换，并选择合适的光学系统；
c) 根据被测激光的强度和探器的饱和阈值，选择合适衰减量，以充分利用探測器的动态范围； d) 确定测量面的轴向位置z，采集光束功率（或能量)密度分布的数据（即光斑图象）； e） 在每个位置至少重复5次，以确定所测得的光束宽度的平均值和标准偏差。
5. 1. 2. 3 测试结果
测试结果按下列步骤得到： a）在计算光策宽度前，应对测量的功率(或能量)密度分布进行背景校正。
5