ISO 13694:2000

NORME ISO
INTERNATIONALE 13694
Première édition
2000-04-01
Optique et instruments d'optique — Lasers
et équipements associés aux lasers —
Méthodes d'essai de distribution de la
densité de puissance [d'énergie] du
faisceau laser
Optics and optical instruments — Lasers and laser-related equipment —
Test methods for laser beam power [energy] density distribution
Numéro de référence
©
ISO 2000
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Sommaire Page
Avant-propos.iv
Introduction.v
1 Domaine d'application.1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions.1
3.1 Grandeurs mesurées.2
3.2 Paramètres de caractérisation .3
3.3 Ajustement de la distribution .6
4 Système de coordonnées .7
5 Paramètres de caractérisation dérivés de la distribution spatiale mesurée .7
6 Ajustement de la distribution .8
6.1 Généralités .8
6.2 Méthodes d'ajustement.8
7 Principe d'essai.9
8 Dispositif de mesurage et équipement d'essai.10
8.1 Généralités .10
8.2 Préparation.10
8.3 Contrôle de l'environnement .10
8.4 Système de détection.10
8.5 Instruments d'optique formant le faisceau, atténuateurs optiques et séparateurs de faisceaux.11
9 Modes opératoires d'essai.11
9.1 Préparation de l'équipement.11
9.2 Mode opératoire d'étalonnage du détecteur.12
9.3 Enregistrement des données et correction du bruit.12
10 Évaluation.14
10.1 Choix et optimisation des limites d'intégration.14
10.2 Contrôle et optimisation des corrections du bruit de fond.14
11 Rapport d'essai .15
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en
liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec la Commission
électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 3.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour
vote. Leur publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités
membres votants.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments de la présente Norme internationale peuvent faire
l’objet de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de
ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
La Norme internationale ISO 13694 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 172, Optique et instruments
d'optique, sous-comité SC 9, Systèmes électro-optiques.
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Introduction
De nombreuses applications de la technologie laser impliquent l'utilisation de la distribution de densité de
1)
puissance [d'énergie] du faisceau en champ proche ainsi qu'en champ lointain .Ladistribution deladensité de
puissance [d’énergie] d'un faisceau laser se caractérise par la distribution spatiale d'une densité de puissance
[d’énergie] de rayonnement, avec un déplacement latéral dans un plan particulier perpendiculaire à la direction de
propagation. En général, la distribution de la densité de puissance [d’énergie] du faisceau change le long de l'axe
de la propagation. Selon la puissance [l’énergie], la taille, la longueur d'onde, la polarisation et la cohérence du
faisceau, il est possible d'appliquer différentes méthodes de mesurage en fonction de la situation. Les cinq
méthodes les plus couramment utilisées sont : le réseau de récepteurs pour chambre photographique (1D et 2D),
les ouvertures, les trous d'aiguille, les fentes et les lames mobiles.
La présente norme donne des définitions de la terminologie et des symboles devant être utilisés dans le cadre de
la distribution de la densité de puissance, ainsi que les prescriptions relatives au mesurage de cette distribution.
Pour les lasers impulsionnels, la distribution de la densité de puissance intégrée sur le temps (c'est-à-dire la
densité d'énergie) représente la grandeur la plus souvent mesurée.
Selon l'ISO 11145, il est possible d'utiliser deux définitions pour définir et mesurer le diamètre du faisceau laser.
L'une de ces définitions est fondée sur le mesurage de la puissance [l’énergie] transmise par une ouverture
circulaire, l'autre est basée sur la détermination des moments spatiaux de la distribution de densité de puissance
[d’énergie] du faisceau laser.
L'utilisation de moments spatiaux est nécessaire pour calculer le facteur de propagation du faisceau K et le facteur
relatif à la diffraction M à partir des mesurages des largeurs des faisceaux à des distances différentes, le long de
l'axe de propagation. L'ISO 11146 est la norme appropriée car elle décrit le mode opératoire de mesurage. Pour
les autres applications, d'autres définitions peuvent être utilisées pour le diamètre du faisceau. Pour certaines des
grandeurs utilisées dans la présente Norme internationale, la première définition (puissance [énergie] transmise
par une ouverture circulaire) est plus adaptée et plus facile à utiliser.
1) Pour les besoins de la présente Norme internationale, le terme «champ proche» désigne le champ de rayonnement d’un
laser à une distance z du col du faisceau, inférieur à la longueur de Rayleigh, z . Le terme «champ lointain» est défini dans
R
l’ISO 11145.
NORME INTERNATIONALE ISO 13694:2000(F)
Optique et instruments d'optique — Lasers et équipements
associés aux lasers — Méthodes d'essai de distribution de la
densité de puissance [d'énergie] du faisceau laser
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale spécifie des méthodes permettant de procéder au mesurage de la distribution de
densité de puissance [d’énergie] et définit les paramètres de caractérisation des propriétés spatiales des fonctions
de distribution de densité de puissance [d’énergie] laser dans un plan donné.
Les méthodes d'essai données dans la présente Norme internationale sont destinées à être utilisées dans le cadre
des essais et de la caractérisation des faisceaux laser continus et impulsionnels.
2 Références normatives
Les documents normatifs suivants contiennent des dispositions qui par suite de la référence qui en est faite,
constituent des dispositions valables pour la présente Norme internationale. Pour les références datées, les
amendements ultérieurs ou les révisions de ces publications ne s’appliquent pas. Toutefois, les parties prenantes
aux accords fondés sur la présente Norme internationale sont invitées à rechercher la possibilité d'appliquer les
éditions les plus récentes des documents normatifs indiqués ci-après. Pour les références non datées, la dernière
édition du document normatif en référence s’applique. Les membres de la CEI et de l'ISO possèdent le registre des
normes internationales en vigueur à un moment donné.
ISO 11145:1994, Optique et instruments d’optique� Lasers et équipements associés aux lasers� Vocabulaire et
symboles.
ISO 11146:1999, Lasers et équipements associés aux lasers� Méthodes d’essai des paramètres des faisceaux
laser� Largeurs du faisceau, angle de divergence et facteur de propagation du faisceau.
ISO 11554:1998, Optique et instruments d’optique� Lasers et équipements associés aux lasers� Méthodes
d’essai de la puissance et l’énergie des faisceaux lasers et de leurs caractéristiques temporelles.
CEI 61040:1990, Détecteurs, instruments et matériels de mesurage de puissance et d’énergie des rayonnements
laser.
3 Termes et définitions
Pour les besoins de la présente Norme internationale, les termes et définitions donnés dans l'ISO 11145 et la
CEI 61040, ainsi que les termes et définitions suivants s'appliquent.
3.1 Grandeurs mesurées
3.1.1
densité de puissance
E(x,y,z)
partie de la puissance d'un faisceau, à la cote z, en contact avec la surface �A au point (x,y), divisée par la surface
�A
3.1.2
densité d'énergie
H(x,y,z)
�pour les faisceaux laser impulsionnels� partie de l'énergie du faisceau (puissance intégrée sur le temps), à la cote
z, en contact avec la surface �A au point (x,y), divisée par la surface �A
H(,x yz, ) � E(,x yz, )dt
z
3.1.3
puissance
P(z)
puissance d'un faisceau d'onde continu (cw) à la cote z
Pz() � E(x,y,z)dxdy
zz
3.1.4
énergie pulsée
Q(z)
énergie contenue dans un faisceau impulsionnel à la cote z
Qz()� H(x,y,z)ddx y
zz
3.1.5
densité de puissance [d’énergie] maximale
E (z)[H (z)]
max max
valeur maximale de la fonction E(x,y,z)[H(x,y,z)] de distribution de la densité de puissance [d’énergie] spatiale à la
cote z
3.1.6
emplacement du maximum
(x , y , z)
max max
emplacement de E (z)ou H (z) dans le plan xyàlacote z
max max
NOTE Une valeur unique peut ne pas être définie pour (x , y , z) lorsque le mesurage est réalisé au moyen de
max max
détecteurs dotés d'une résolution spatiale élevée et d'une plage dynamique relativement réduite.
3.1.7
densité de puissance [d’énergie] seuil
E (z)[H (z)]
�T �T
fraction� de la densité de puissance [d’énergie] maximale à la cote z
E (z)=�E (z) pour les faisceaux continus;
�T max
H (z)= �H (z) pour les faisceaux impulsionnels;
�T max
0 ��<1
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NOTE Généralement, la valeur choisie pour � est telle que E ou H est juste supérieure aux crêtes de bruits de fond
�T �T
du détecteur au moment du mesurage. Les méthodes de soustraction du bruit de fond utilisées pour déterminer les niveaux
zéros du détecteur sont décrites en 9.3. Les circonstances telles que l'application considérée, le type de distribution, la
sensibilité du détecteur, la linéarité, la saturation, la ligne de base, le niveau du décalage, etc., peuvent également jouer dans le
choix de la valeur de�.
3.2 Paramètres de caractérisation
3.2.1
puissance [énergie] effective
P (z), [Q (z)]
� �
valeurs P(z)[Q(z)] évaluées en additionnant uniquement les points (x,y) pour lesquels
E(x,y)> E [H(x,y)> H ] respectivement
�T �T
3.2.2
puissance [énergie] fractionnelle
f (z)
�
rapport entre la puissance [l’énergie] effective pour une valeur � donnée et la puissance [l’énergie] totale de la
distribution à la cote z
Pz()
�
fz()� pour les faisceaux continus;
�
Pz()
Qz()
�
fz()� pour les faisceaux impulsionnels;
�
Qz()
0 � f (z)� 1
�
3.2.3
centredegravité
position centroïde
(,xy)
premiers moments linéaires à la cote z
NOTE Pour une définition détaillée, voir l'ISO 11145.
3.2.4
largeurs de faisceau
d (z), d (z)
�x �y
largeurs d (z)et d (z) du faisceau dans les directions x et y,à la cote z,dont lavaleur correspondàquatrefois la
�x �y
racine carrée des moments linéaires de deuxième ordre de la distribution de la densité de puissance [d’énergie]
autour ducentredegravité
NOTE 1 Pour une définition détaillée, se reporter à l'ISO 11145 et l'ISO 11146.
NOTE 2 Les dispositions de l'ISO 11146 s'appliquent aux définitions et au mesurage
a) des largeurs de faisceau dérivées du moment de deuxième ordre, d et d ;
�x �y
b) des largeurs de faisceau d et d en termes des plus petites largeurs de fente centrées qui transmettent u%de la
x,u y,u
densité de puissance [d’énergie] totale (généralement, u = 86,5);
c) des mesurages des largeurs de faisceau par fentes étroites de balayage d et d en termes de séparation entre les
x,s y,s
positions où la densité de puissance transmise est réduite à 0,135E ;
P
d) des mesurages des largeurs de faisceau d et d en termes de séparation entre les positions de diaphragme 0,84P et
x,k y,k
0,16P d'une lame mobile;
e) des facteurs de corrélation qui rassemblent ces différentes définitions et méthodes de mesurage des largeurs de faisceau.
3.2.5
ellipticité [excentricité] du faisceau
�(z)[e(z)]
paramètre permettant de quantifier la circularité ou la rectangularité (rapport d’aspect) d'une distribution à la cote z
d
�y
ellipticité du faisceau �()z � ;
d
�x
dd�
��xy
excentricité du faisceau ez()�
d
�x
où l'axe x est situé le long de l'axe principal de la distribution pour que d � d
�x �y
NOTE Si e � 0,5 ou ��� 0,87, les distributions symétriques par rotation peuvent être considérées comme étant de type
autant circulaire ou rectangulaire que carré.
3.2.6
surface de la section du faisceau
A (z)
�
A = � d / 4 pour les faisceaux de section circulaire
�
�
A = �/4dd pour les faisceaux de section elliptique
� ��xy
3.2.7
surface de rayonnement effective
i
Azaf
�
surface du rayonnement à la cote z pour laquelle la densité de puissance [d’énergie] dépasse le seuil de la densité
de puissance [d’énergie]
NOTE 1 Pour permettre tous les types de distribution, par exemple, en "donut", la surface de rayonnement effective n'est
pas définie en termes de largeurs de faisceau d ou d .
�x �y
NOTE 2 Voir densité de puissance [d’énergie] seuil (3.1.7).
3.2.8
densité de puissance [d’énergie] effective moyenne
E (z), [H (z)]
� �
moyenne spatiale de la densité de puissance [d’énergie] de la distribution à la cote z, définie par la moyenne
pondérée
P
�
Ez()� pour les faisceaux continus;
�
i
A
�
Q
�
Hz()� pour les faisceaux impulsionnels
�
i
A
�
NOTE E (z)et E (z) (voir 3.1.7) se réfèrent à différents paramètres.
� �T
3.2.9
facteur de planéité
F (z)
�
rapport entre la densité de puissance [d’énergie] moyenne et la densité de puissance [d’énergie] maximale de la
distribution à la cote z
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E
�
Fz()� pour les faisceaux continus;
�
E
max
H
�
Fz()� pour les faisceaux impulsionnels
�
H
max
0< F � 1
�
NOTE Pour une distribution de la densité de puissance [d’énergie] ayant un sommet plat parfait, F =1.
�
3.2.10
uniformité du faisceau
U (z)
�
écart moyen quadratique normalisé de la densité de puissance [d’énergie] par rapport à sa valeur moyenne à la
cote z
U��[Exy( , ) E ] ddx y pour les faisceaux continus
� �
i zz
E
A
�
�
U��[Hx( ,y) H ] ddx y pour les faisceaux impulsionnels
� �
i zz
H
A
�
�
NOTE 1 U = 0 indique une distribution complètement uniforme ayant un profil à sommet plat et arêtes verticales. U est
� �
exprimé sous forme de fraction ou de pourcentage.
NOTE 2 En utilisant l'intégration sur une surface de faisceau comprise dans les limites seuils fixées, cette définition permet
de quantifier les empreintes de forme arbitraire en termes d'uniformité. Des mesurages de l'uniformité peuvent par conséquent
être réalisés pour différentes fractions de la puissance [l’énergie] totale du faisceau, sans définir de manière spécifique une
fenêtre délimitant l'ouverture ou sans se référer à la forme ou à la taille de la distribution. Ainsi, en utilisant les calculs réalisés
en 3.2.2 et 3.2.10, il a été possible d'affirmer par exemple: «En utilisant un paramètre � = 0,3, on constate que 85 % de la
puissance [l’énergie] du faisceau a une uniformité égale à � 4,5 % de l'écart moyen quadratique par rapport à sa valeur
moyenne à la cote z», sans se référer à la forme, à la taille de la distribution, etc.
3.2.11
uniformité présentant un plateau
U (z)
P
�pour les distributions ayant un profil à sommet pratiquement plat�
�E
FWHM
Uz()� pour les faisceaux continus
P
E
max
�H
FWHM
Uz()� pour les faisceaux impulsionnels
P
H
max
où �E [�H ] sont les largeurs totales à mi-hauteur (FWHM) de la crête, proches de E [H ]de
FWHM FWHM max max
l'histogramme de densité de puissance [d’énergie] N(E)[N(H )], à savoir le nombre de points (x,y) auxquels une
i i
densité de puissance [d’énergie] E [H ] donnée est enregistrée
i i
NOTE 0 < U (z)<1; U (z)� 0 lorsque les distributions tendent à avoir un sommet de plus en plus plat.
P P
3.2.12
pente de l'arête
s(z)
i i
différence normalisée entre les surfaces de rayonnement effectivesAz() etAz() et les valeurs de densité de
01, 09,
puissance [d’énergie] supérieures à 0,1E (z)[0,1H (z)] et 0,9E (z)[0,9H (z)] respectivement
max max max max
ii
Az()�A ()z
01,,09
sz()�
i
Az()
01,
0 < s(z)< 1
NOTE s(z)� 0 lorsque les arêtes de la distribution tendent vers la verticale.
i
Les paramètres E , E , P , A , F , U ,et s sont représentés à la Figure 1 pour une distribution de densité de
max � � � � �
puissance unidimensionnelle.
Figure 1 — Illustration d'une distribution E(x) unidimensionnelle
3.3 Ajustement de la distribution
3.3.1
approximation de l'ajustement
R
écart maximal de l'ajustement théorique par rapport à la distribution mesurée
a
EE�
ij ij
max
R �
E
max
a
où E est la distribution théorique ajustée
0� R� 1
NOTE Lorsque R� 0, l'ajustement s'améliore.
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3.3.2
validité de l'ajustement
G
paramètre basé sur l’essai statistique de Kolmogorov-Smirnov caractérisant l'ajustement entre les distributions
mesurée et théorique
G�
1�� N
où
N est le nombre total de points de mesure dans la distribution mesurée;
� est l'écart maximal entre les distributions mesurée et théorique des puissances (énergies) transmises par
l'ouverture, tronquées à n� 10 points aléatoires (x , y ) de la distribution:
i j
a
PP�
ij ij
max
� �
P
yy� yy�
xx� xx�
j j
i i
a a
P � Exaf,yddx y et P � Exaf,yddxy
ij
ij z z � z
xx� yy� xx� yy�
i j i j
a
où E est la distribution théorique ajustée
0� G� 1
NOTE Lorsque G�1(�� 0), la qualité de l'ajustement s'améliore.
4 Système de coordonnées
Les axes cartésiens x, y, z définissent les directions spatiales orthogonales dans le système des axes du faisceau.
Les axes x et y sont perpendiculaires au faisceau et définissent le plan transversal. Le faisceau se propage le long
de l'axe z. L'origine de l'axe z se situedansunplanderéférence xy défini par le fabricant de laser, par exemple
l'avant de l'enceinte laser. Pour les faisceaux elliptiques, les principaux axes de distribution coïncident
respectivement avec les axes x et y. Dans les cas où les principaux axes de distribution subissent une rotation par
rapport au système de coordonnées du laboratoire, les dispositions de l'ISO 11146, décrivant la rotation des
coordonnées selon un angle azimutal� dans le système du laboratoire, doivent s'appliquer.
5 Paramètres de caractérisation dérivés de la distribution spatiale mesurée
Dans les définitions 3.2.1 à 3.2.12, les intégrales de sommation doivent être calculées pour tous les points (x,y)où
E(x,y)> E ou H(x,y)) > H . Cette méthode d'«écrêtage au seuil», utilisée pour tronquer les intégrales de
�T �T
sommation, diffère à 99 % de la méthode de troncature de l'ouverture spatiale de puissance [d’énergie] utilisée
pour calculer les largeurs de faisceaux du moment de deuxième ordre dans l'ISO 11146. Avant d'utiliser cet
écrêtage au seuil, il est nécessaire d'appliquer une soustraction du bruit de fond appropriée au signal mesuré.
Selon la note en 3.1.7, la valeur de� est généralement choisie de sorte que la valeur de E ou de H soit juste
�T �T
supérieure aux crêtes de bruits de fond du détecteur au moment des mesurages.
NOTE Étant donné que les faisceaux laser pratiques ont une dimension latérale finie et les détecteurs qui mesurent leur
distribution de densité de puissance une résolution spatiale finie, il convient que les définitions de la présente Norme
internationale utilisées pour les calculs contiennent de préférence des sommes finies discrètes plutôt que des intégrales
continues. Les intégrales finies sont utilisées car leur forme est plus concise que celle des sommes et que leur utilisation est
plus courante. Pour plus d'informations relatives au choix des limites d'intégration pratiques, se référer à 10.1.
6 Ajustement de la distribution
6.1 Généralités
Pour les lasers impulsionnels, les substitutions suivantes doivent être effectuées dans le texte du 3.3: densité de
puissance E doit être remplacé par densité d'énergie H, puissance P par énergie Q et distribution théorique ajustée
a a
E par H respectivement.
L’essai pour la validité de l’ajustement doit être effectuée uniquement au-delà des zones du détecteur pour lequel
des données du signal ont été enregistrées. Des valeurs de G < 0,5 impliquent un mauvais ajustement qu'il
convient de rejeter.
La Figure 2 représente les paramètres R et� pour une distribution de densité de puissance unidimensionnelle.
Légende
1 E(x) Distribution mesurée
a
2 E (x) Ajustement théorique (Gaussien) (R =0,16 ; G = 0,81)
� Différence maximale en puissances d’ouverture
R Différence maximale en densités de puissance
Figure 2 — Exemple d'ajustement gaussien d'une distribution mesurée E(x) unidimensionnelle
6.2 Méthodes d'ajustement
Pour ajuster des distributions théoriques en distributions mesurées, il est recommandé d'utiliser la méthode
2)
suivante plutôt que les méthodes des moindres carrés . Le mesurage détermine cinq paramètres: la position du
centroïde(,xy), les largeurs de faisceau d et d et la puissance [l’énergie] totale du faisceau, P [Q]. Ces valeurs
�x �y
sont ensuite utilisées comme les meilleures estimations du centre, de l'écart-type et de la norme (surface située
a
au-dessous de la courbe) respectivement, de la distribution théorique E (x,y).
2) Lorsque les méthodes des moindres carrés
...