ISO 15367-1:2003
(Main)Lasers and laser-related equipment — Test methods for determination of the shape of a laser beam wavefront — Part 1: Terminology and fundamental aspects
Lasers and laser-related equipment — Test methods for determination of the shape of a laser beam wavefront — Part 1: Terminology and fundamental aspects
ISO 15367-1:2003 specifies methods for the measurement of the topography of the wavefront of a laser beam by measurement and interpretation of the spatial distribution of the phase of that wavefront across a plane approximately perpendicular to its direction of propagation. Requirements are given for the measurement and analysis of phase distribution data to provide quantitative wavefront parameters and their uncertainty in a test report. The methods described in ISO 15367-1:2003 are applicable to the testing and characterization of a wide range of beam types from both continuous wave and pulsed lasers. Definitions of parameters describing wavefront deformations are given together with methods for the determination of those parameters from phase distribution measurements.
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai pour la détermination de la forme du front d'onde du faisceau laser — Partie 1: Terminologie et aspects fondamentaux
L'ISO 15367-1:2003 spécifie les méthodes pour le mesurage de la topographie du front d'onde d'un faisceau laser par le mesurage et l'interprétation de la distribution spatiale de la phase de ce front d'onde, à travers un plan approximativement perpendiculaire à sa direction de propagation. Les exigences sont données pour le mesurage et l'analyse des données de la distribution de phase pour inscrire les paramètres quantitatifs du front d'onde et leurs incertitudes dans un rapport d'essai. Les méthodes décrites dans l'ISO 15367-1:2003 sont applicables à l'essai et à la caractérisation d'une grande variété de types de faisceaux issus à la fois de lasers continus ou pulsés. Les définitions des paramètres décrivant les déformations du front d'onde sont données avec les méthodes pour la détermination de ces paramètres à partir des mesures de distribution de phase.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 15367-1
First edition
2003-09-15
Lasers and laser-related equipment —
Test methods for determination of the
shape of a laser beam wavefront —
Part 1:
Terminology and fundamental aspects
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai pour la
détermination de la forme du front d'onde du faisceau laser —
Partie 1: Terminologie et aspects fondamentaux
Reference number
©
ISO 2003
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Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope. 1
2 Normative references. 1
3 Terms and definitions. 2
3.1 General definitions. 2
3.2 Definitions associated with power (energy) density distribution . 4
3.3 Definitions associated with astigmatism. 4
3.4 Definitions related to the characteristics and topography of the wavefront. 5
3.5 Definitions related to wavefront gradient measurements . 7
4 Test methods. 8
4.1 Laser types. 8
4.2 Safety. 8
4.3 Test environment. 8
4.4 Beam modification. 9
4.5 Detector system. 10
4.6 Wavefront measuring instruments. 10
5 Test and measurement procedures . 11
5.1 Alignment. 11
5.2 Calibration. 11
5.3 Visual inspection of automated data analysis . 11
5.4 Measurement procedures. 12
6 Analysis of wavefront quality . 12
6.1 Polynomial representation of wavefronts . 12
6.2 Computation of wavefront quality. 12
7 Uncertainty. 13
7.1 Requirements for uncertainty estimation. 13
7.2 Sources of uncertainty . 14
8 Test report. 14
Annex A (informative) Astigmatism and laser beams . 15
Bibliography . 20
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 15367-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and optical instruments,
Subcommittee SC 9, Electro-optical systems.
ISO 15367 consists of the following parts, under the general title Lasers and laser-related equipment — Test
methods for determination of the shape of a laser beam wavefront:
Part 1: Terminology and fundamental aspects
Part 2: Hartmann-Shack sensors
iv © ISO 2003 — All rights reserved
Introduction
It is important, when designing, operating or maintaining a laser system, to be able to ensure repeatability,
predict the propagation behaviour of the laser beam and to assess the safety hazards. There are four sets of
parameters that could be measured for the characterization of a laser beam:
power (energy) density distribution (ISO 13694);
beam width, divergence angle and beam propagation factor (ISO 11146);
phase distribution (ISO 15367);
spatial beam coherence.
This part of ISO 15367 defines the terminology and symbols to be used when making reference to or
measuring the phase distribution in a transverse plane of a laser beam. It specifies the procedures required
for the measurement of
the azimuth of the principal planes of the phase distribution;
the magnitude of astigmatic aberrations;
evaluation of the wavefront aberration function and the RMS wavefront deformation.
A useful technique for qualitative assessment of a beam is visual inspection of the fringe pattern in
interferograms or an isometric view of a wavefront surface. However, more quantitative methods are needed
for quality assurance and transfer of process technology. The measurement techniques indicated in this part
of ISO 15367 allow numerical analysis of the phase distribution in a propagating beam and can provide
recordable quantitative results.
While it is quite possible to ascribe other conventional aberrations (e.g. coma or spherical aberration) as well
as astigmatism to a laser beam, these are not commonly used. Departure of the wavefront of a beam from
some ideal surface is a more common indication of quality. On the other hand, rotational asymmetry has a
much wider range of effects in a laser beam than is usually associated with astigmatism imposed on a beam
of optical radiation by conventional optical systems. For this reason, various forms and characteristics of
astigmatism in beams are now defined in detail.
The provisions of this part of ISO 15367 allow a test report to be commissioned with measurements or
analysis of a selection of beam characteristics. Measurements of astigmatism are important to system
designers who wish to specify optical elements for the correction of astigmatic beams. The measurement
techniques defined in this part of ISO 15367 can also be used to assess any residual astigmatism after the
addition of corrective elements and to aid with alignment.
A major application of phase distribution measurements comes with the possibility of combining those
measurements with a simultaneous measurement of the power (energy) density distribution (ISO 13694) at
the same location in the path of a beam. Digital processing of the data can reveal much more detailed
characteristics of the propagating beam than can measurements of the power (energy) envelope resulting
from calculation of the beam propagation ratio (ISO 11146). The more detailed information can be important to
assessors of laser damage and safety hazards as well as process development engineers when it is
necessary to know the power (energy) density distribution at the process interaction point.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 15367-1:2003(E)
Lasers and laser-related equipment — Test methods for
determination of the shape of a laser beam wavefront —
Part 1:
Terminology and fundamental aspects
1 Scope
This part of ISO 15367 specifies methods for the measurement of the topography of the wavefront of a laser
beam by measurement and interpretation of the spatial distribution of the phase of that wavefront across a
plane approximately perpendicular to its direction of propagation. Requirements are given for the
measurement and analysis of phase distribution data to provide quantitative wavefront parameters and their
uncertainty in a test report.
The methods described in this part of ISO 15367 are applicable to the testing and characterization of a wide
range of beam types from both continuous wave and pulsed lasers. Definitions of parameters describing
wavefront deformations are given together with methods for the determination of those parameters from
phase distribution measurements.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 9334, Optics and optical instruments — Optical transfer function — Definitions and mathematical
relationships
ISO 10110-5, Optics and optical instruments — Preparation of drawings for optical elements and systems —
Part 5: Surface form tolerances
ISO 11145, Optics and optical instruments — Laser and laser-related equipment — Vocabulary and symbols
ISO 11146, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam parameters — Beam widths,
divergence angle and beam propagation factor
ISO 13694, Optics and optical instruments — Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser
beam power (energy) density distribution
ISO 15367-2, Lasers and laser related equipment — Test methods for determination of the shape of a laser
beam wavefront — Part 2: Hartmann-Shack sensors
IEC 60825, (All parts), Safety of Laser Products
IEC 61040, Power and energy measuring detectors, instruments and equipment for laser radiation
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the definitions given in ISO 9334, ISO 10110-5, ISO 11145, ISO 11146,
ISO 13694 and IEC 61040 as well as the following apply.
3.1 General definitions
3.1.1
average wavefront shape
w(x,y;z )
m
continuous surface w(x,y) that is normal to the time average direction of energy propagation in the
electromagnetic field at the measurement plane z = z
m
NOTE 1 In the case of highly coherent radiation, the continuous surface w(x,y) is a surface of constant phase. The
phase distribution Φ(x,y) is then related to the wavefront distribution according to
2π
Φ(,xy)=⋅w(x,y)
λ
where λ is the mean wavelength of the light.
NOTE 2 A continuous surface does not always exist.
3.1.2
wavefront surface
continuous surface w(x,
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 15367-1
Première édition
2003-09-15
Lasers et équipements associés aux
lasers — Méthodes d'essai pour la
détermination de la forme du front d'onde
du faisceau laser —
Partie 1:
Terminologie et aspects fondamentaux
Lasers and laser-related equipment — Test methods for determination
of the shape of a laser beam wavefront —
Part 1: Terminology and fundamental aspects
Numéro de référence
©
ISO 2003
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Publié en Suisse
ii © ISO 2003 — Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives. 1
3 Termes et définitions . 2
3.1 Définitions générales. 2
3.2 Définitions associées à la distribution de densité de puissance (d'énergie) . 4
3.3 Définitions associées à l'astigmatisme . 4
3.4 Définitions associées aux caractéristiques et à la topographie du front d'onde. 5
3.5 Définitions associées aux mesures du gradient du front d'onde . 7
4 Méthodes d'essai. 8
4.1 Types de lasers. 8
4.2 Sécurité. 8
4.3 Environnement d'essai. 8
4.4 Modification de faisceau . 9
4.5 Système de détection . 10
4.6 Appareils de mesure de front d'onde. 10
5 Essai et procédures de mesure. 11
5.1 Alignement. 11
5.2 Etalonnage. 11
5.3 Examen visuel d'analyse de données automatisées. 12
5.4 Procédures de mesure . 12
6 Analyse de qualité de front d'onde . 12
6.1 Représentation de polynôme de fronts des ondes . 12
6.2 Calcul de la qualité du front d'onde . 12
7 Incertitude. 14
7.1 Exigences pour l'estimation de l'incertitude. 14
7.2 Sources d'incertitude. 14
8 Rapport d'essai. 15
Annexe A (informative) Astigmatisme et faisceaux laser. 16
Bibliographie . 21
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 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. 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 du présent document 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.
L'ISO 15367-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 172, Optique et instruments d'optique,
sous-comité SC 9, Systèmes électro-optiques.
L'ISO 15367 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Lasers et équipements associés
aux lasers — Méthodes d'essai pour la détermination de la forme du front d'onde du faisceau laser:
Partie 1: Terminologie et aspects fondamentaux
Partie 2: Senseurs Hartmann-Shack
iv © ISO 2003 — Tous droits réservés
Introduction
Il est important, lors de la conception, de la mise en œuvre et de la maintenance d'un système laser, de
pouvoir assurer la répétabilité, prévoir le comportement du faisceau laser et d'évaluer les risques de sécurité.
Il existe quatre ensembles de paramètres qui pourraient être mesurés pour la caractérisation du faisceau
laser:
distribution de densité de puissance (d'énergie) (ISO 13694);
largeur de faisceau, angle de divergence et facteur de propagation du faisceau (ISO 11146);
distribution de phase (ISO 15367);
cohérence spatiale du faisceau.
La présente partie de l'ISO 15367 définit la terminologie et les symboles à utiliser quand la distribution de
phase est prise en référence ou mesurée dans un plan transversal au faisceau laser. Elle spécifie les
procédures requises pour les mesurages de
l'azimut des plans principaux de la distribution de phase;
l'amplitude des aberrations astigmatiques;
l'évaluation de la fonction aberration du front d'onde et la déformation RMS du front d'onde.
Une technique utilisée pour la détermination qualitative du faisceau est l'observation visuelle de la forme des
franges d'interférogrammes ou la vue isométrique de la surface d'un front d'onde. Toutefois, des méthodes
plus quantitatives sont nécessaires pour l'assurance de la qualité et le transfert de la technologie des moyens.
Les techniques de mesure indiquées dans la présente partie de l’ISO 15367 permettent une analyse
numérique de la distribution de phase dans une propagation du faisceau et peut peuvent fournir des résultats
quantitatifs enregistrables.
Tant qu'il est tout à fait possible d'imputer d'autres aberrations conventionnelles (par exemple coma ou
aberrations sphériques) aussi bien que l'astigmatisme d'un faisceau laser, ces méthodes ne sont pas
communément utilisées. Le départ du front d'onde d'un faisceau depuis une surface idéale est une indication
de qualité plus commune. D'autre part, une asymétrie rotationnelle a une plage d'effets d'autant plus large
dans un faisceau laser qu'elle est couramment associée avec l'astigmatisme imposé sur un faisceau de
radiation optique par des systèmes optiques conventionnels. Pour cette raison, des caractéristiques et des
formes variées d'astigmatisme dans les faisceaux sont maintenant définies en détail.
Les dispositions de la présente partie de l'ISO 15367 permettent d'établir un rapport d'essai avec des
mesurages et des analyses d'une sélection de caractéristiques du faisceau. Des mesures d'astigmatisme sont
importantes pour les concepteurs de systèmes qui désirent spécifier les éléments optiques pour une
correction des faisceaux astigmatiques. Les techniques de mesure définies dans la présente partie de
l’ISO 15367 peuvent aussi être utilisées pour estimer chaque astigmatisme résiduel après application de
corrections, et pour aider à l'alignement.
Une application essentielle des mesurages de distribution de phase vient avec la possibilité de combiner ces
mesurages avec un mesurage simultané de la distribution de densité de puissance (d'énergie) (ISO 13694) à
la même position dans le trajet du faisceau. Une saisie numérique des données peut révéler davantage de
caractéristiques détaillées du faisceau de propagation que les mesurages de l'enveloppe de puissance
(énergie) résultant du calcul du rapport de propagation du faisceau (ISO 11146). L'information la plus détaillée
peut être importante pour les estimateurs d'endommagement causés par les lasers et de risques de sécurité,
autant que pour les ingénieurs de développement de procédés quand il est nécessaire de connaître la
distribution de densité de puissance (énergie) au point d'interaction de processus.
NORME INTERNATIONALE ISO 15367-1:2003(F)
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai
pour la détermination de la forme du front d'onde du faisceau
laser —
Partie 1:
Terminologie et aspects fondamentaux
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 15367 spécifie les méthodes pour le mesurage de la topographie du front d'onde
d'un faisceau laser par le mesurage et l'interprétation de la distribution spatiale de la phase de ce front d'onde,
à travers un plan approximativement perpendiculaire à sa direction de propagation. Les exigences sont
données pour le mesurage et l'analyse des données de la distribution de phase pour inscrire les paramètres
quantitatifs du front d'onde et leurs incertitudes dans un rapport d'essai.
Les méthodes décrites dans la présente partie de l'ISO 15367 sont applicables à l'essai et à la caractérisation
d'une grande variété de types de faisceaux issus à la fois de lasers continus ou pulsés. Les définitions des
paramètres décrivant les déformations du front d'onde sont données avec les méthodes pour la détermination
de ces paramètres à partir des mesures de distribution de phase.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 9334, Optique et instruments d'optique ― Fonction de transfert optique ― Définitions et relations
mathématiques
ISO 10110-5, Optique et instruments d'optique ― Indications sur les dessins pour éléments et systèmes
optiques ― Partie 5 : Tolérances de forme de surface
ISO 11145, Optique et instruments d'optique ― Lasers et équipements associés aux lasers ― Vocabulaire et
symboles
ISO 11146, 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 13694, Optique et instruments d'optique ― Lasers et équipements associés aux lasers ― Méthodes
d'essai de distribution de la
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.