ISO 13694:2018

NORME ISO
INTERNATIONALE 13694
Troisième édition
2018-11
Optique et photonique — Lasers et
équipements associés aux lasers —
Méthodes d'essai de distribution de
la densité de puissance (d'énergie) du
faisceau laser
Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test
methods for laser beam power (energy) density distribution
Numéro de référence
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ISO 2018
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être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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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
4 Système de coordonnées . 7
5 Paramètres de caractérisation dérivés de la distribution spatiale mesurée .7
6 Principe d'essai . 8
7 Dispositif de mesure et équipement d'essai . 8
7.1 Généralités . 8
7.2 Préparation . 8
7.3 Contrôle de l'environnement . 8
7.4 Système de détection . 9
7.5 Instruments d'optique formant le faisceau, atténuateurs optiques et séparateurs
de faisceaux . 9
8 Mode opératoire d'essai .10
8.1 Préparation de l'équipement .10
8.2 Mode opératoire d'étalonnage du détecteur .10
8.2.1 Étalonnage spatial .10
8.2.2 Étalonnage de la puissance (de l’énergie) .10
8.3 Enregistrement des données et correction du bruit .11
8.3.1 Généralités .11
8.3.2 Correction par soustraction de la carte du bruit de fond .11
8.3.3 Correction par soustraction du bruit de fond moyen .12
9 Évaluation .12
10 Rapport d'essai .12
Annexe A (informative) Rapport d'essai .13
Bibliographie .16
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 (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/directives).
L'attention est attirée 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. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/iso/fr/avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 172, Optique et Photonique, sous-
comité SC 9, Systèmes électro-optiques.
Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 13694:2015), qui a fait l’objet d’une
révision technique. Les principales modifications par rapport à l’édition précédente sont les suivantes:
a) la définition de l’ellipticité du faisceau a été harmonisée avec l’ISO 11145 et l’ISO 11146-1;
b) le terme «moments linéaires de deuxième ordre» a été remplacé par «moments de deuxième ordre»;
c) le terme «champ de vision» a été remplacé par «ouverture»;
d) l’Article 9 a été ré-écrit; les paragraphes sur l’écrêtage ont été corrigés pour refléter qu’ils ne sont
plus destinés à la suppression du bruit;
e) les entrées «Type de distribution ajustée», «Approximation de l’ajustement R» et «Qualité de
l’ajustement G» ont été supprimées du rapport d’essai;
f) le terme «rapport» a été supprimé du rapport d’essai.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/fr/members .html.
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Introduction
De nombreuses applications de la technologie laser impliquent l'utilisation de la distribution de densité
de puissance (d'énergie) du faisceau en champ proche ainsi qu'en champ lointain. La distribution de
la densité 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 mesure 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.
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 rapport de propagation du faisceau M à partir des mesurages des largeurs des faisceaux à des
distances différentes, le long de l'axe de propagation. L'ISO 11146-1 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 le présent document,
la première définition (puissance (énergie)) par une ouverture circulaire) est plus adaptée et plus facile
à utiliser.
NORME INTERNATIONALE ISO 13694:2018(F)
Optique et photonique — 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
Le présent document 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 le présent document sont destinées à être utilisées dans le cadre
des essais et de la caractérisation des faisceaux laser continus et impulsionnels.
Le présent document donne des définitions de la terminologie et des symboles à utiliser dans le cadre
de la distribution de la densité de puissance, ainsi que les spécifications 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.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences 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 11145, Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et symboles
ISO 11146-1, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai des largeurs du faisceau, angles
de divergence et facteurs de limite de diffraction — Partie 1: Faisceaux stigmatiques et astigmatiques simples
ISO 11554, Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai de la
puissance et de l'énergie des faisceaux lasers et de leurs caractéristiques temporelles
IEC 61040, Détecteurs, instruments et matériels de mesurage de puissance et d’énergie des
rayonnements laser
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 11145 et l’IEC 61040,
ainsi que les termes et définitions suivants s'appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/
3.1 Grandeurs mesurées
3.1.1
distribution de densité de puissance
E(x, y, z)
ensemble de toutes les densités de puissance à la cote z d'un faisceau d'onde continu donné ayant des
valeurs positives pour toutes les coordonnées transversales (x,y)
3.1.1.1
densité de puissance
E(x , y , z)
P P
partie de la puissance d'un faisceau, à la cote z, en contact avec la surface δA au point P(x , y ) divisée
P P
par la surface δA dans la limite δA → 0
[SOURCE: ISO 11145:2018, 3.13.6, modifiée —Notes à l’article omises.]
3.1.2
distribution de densité d'énergie
H(x, y, z)
ensemble de toutes les densités de puissance à la cote z d'un faisceau pulsé donné ayant des valeurs
positives pour toutes les coordonnées transversales (x,y)
Hx,,yz = Ex,,yz dt
() ()
∫
3.1.2.1
densité d'énergie
H(x , y , z)
P P
partie de l'énergie du faisceau, à la cote z, en contact avec la
surface δA au point P(x ,y ), divisée par la surface δA dans la limite δA → 0
P P
Hx ,,yz = Ex ,,yz dt
() ()
PP PP
∫
[SOURCE: ISO 11145:2018, 3.13.4, modifiée — Notes à l’article omises et Formule ajoutée.]
3.1.3
puissance
P(z)
taux de transfert d’énergie dans un faisceau d'onde continu (cw) à la cote z
Pz = Ex,,yz ddxy
() ()
∫∫
3.1.4
énergie pulsée
Q(z)
énergie contenue dans un faisceau impulsionnel mesuré à la cote z
Qz = Hx,,yz ddxy
() ()
∫∫
[SOURCE: ISO 11145:2018, 3.13.3 modifiée — «Mesuré à la cote z» et Formule Q(z) ajoutées]
3.1.5
densité de puissance (d’énergie) maximale
E (z) [H (z)]
max max
valeur maximale de la fonction de distribution de la densité de puissance (d’énergie) spatiale E (x, y, z)
[H (x, y, z)] à la cote z
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3.1.6
emplacement du maximum
(x , y , z)
max max
emplacement de E (z) ou H (z) dans le plan xy à la cote z
max max
Note 1 à l'article: Une valeur unique peut ne pas être définie pour (x , y , z) lorsque le mesurage est réalisé
max max
au moyen de détecteurs dotés d'une résolution spatiale élevée et d'une plage dynamique relativement réduite.
3.1.7
densité de puissance (d'énergie) d'écrêtage
E (z) [H (z)]
ηCL ηCL
fraction η de la densité de puissance (d’énergie) maximale (3.1.5) à la cote z
Ez =ηEz
() ()
ηCL max
Hz =ηHz
() ()
ηCL max
0 ≤ η < 1
Note 1 à l'article: Lorsque aucune confusion n’est possible, la dépendance explicite sur z est supprimée dans la
description de texte en utilisant certaines quantités, mais pas dans les définitions ni dans les formules portant
sur les quantités.
3.2 Paramètres de caractérisation
3.2.1
puissance (énergie) d'écrêtage
P (z) [Q (z)]
η η
intégrale de la distribution de puissance (d’énergie) à la cote z, évaluée en additionnant uniquement les
points (x,y) pour lesquels E (x, y, z) > E (z) [H (x, y, z) > H (z)]
ηCL ηCL
3.2.2
puissance (énergie) fractionnelle
f (z)
η
rapport entre la densité de puissance (d’énergie) d'écrêtage (3.2.1), pour une valeur η donnée et la
puissance (l’énergie) totale de la distribution à la cote z
Pz
()
η
fz = pour les faisceaux cw
()
η
Pz
()
Qz
()
η
fz = pour les faisceaux impulsionnels
()
η
Qz
()
0 ≤ f (z) ≤ 1
η
3.2.3
position du centroïde du faisceau
xz , yz
() ()
()
coordonnées des moments linéaires de premier ordre d’une distribution de densité de puissance
(d’énergie) à la cote z
xE⋅ xy,,zx⋅ddy
()
∫∫
xz =
()
Ex,,yz ⋅ddxy
()
∫∫
yE⋅ xy,,zx⋅ddy
()
∫∫
yz =
()
Ex,,yz ⋅ddxy
()
∫∫
où l’intégration doit être menée sur une surface telle qu’au moins 99 % de la puissance (énergie) du
faisceau est capturé
Note 1 à l'article: La densité de puissance E est remplacée par la densité d’énergie H pour les lasers pulsés.
Note 2 à l'article: Pour une définition détaillée, voir l'ISO 11145 et l’ISO 11146-1.
3.2.4
largeurs de faisceau
d (z), d (z)
σx σy
largeurs d (z) et d (z) du faisceau dans les directions respectives x et y, à la cote z, dont la valeur
σx σy
correspond à quatre fois la racine carrée des moments de deuxième ordre de la distribution de la
densité de puissance (d’énergie) autour du centre de gravité
Note 1 à l'article: Pour une définition détaillée, se reporter à l'ISO 11145 et l'ISO 11146-1.
Note 2 à l'article: Les dispositions de l'ISO 11146 s'appliquent aux définitions et aux mesurages:
a) des largeurs de faisceau dérivées du moment de deuxième ordre d et d ;
σx σx
b) des largeurs de faisceau d et d en termes des plus petites largeurs de fente centrées qui transmettent
x,u y,u
u % de la 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
x,s y,s
entre les positions où la densité de puissance transmise (3.1.1.1) est réduite à 0,135 E où E est la densité
p p
(énergie) de puissance maximale;
d) des mesurages des largeurs de faisceau d et d en termes de séparation entre les positions de diaphragme
x,k y,k
0,84 P et 0,16 P d'une lame mobile où P est la puissance (l’énergie) non obstruée, maximale, enregistrée par
le détecteur à surface large derrière le plan de lame;
e) des facteurs de corrélation qui rassemblent ces différentes définitions et méthodes de mesure des largeurs
de faisceau.
3.2.5
ellipticité du faisceau
ε(z)
paramètre permettant de quantifier la circularité ou la rectangularité d’une distribution de puissance
(d’énergie) à la cote z
dz
()
σ y
ε z =
()
dz
()
σx
où la direction de l'axe x est choisie pour être située le long de l'axe principal de la distribution soit
d ≥ d
σx σy
Note 1 à l'article: Si ε ≥ 0,87, les distributions elliptiques peuvent être considérées comme étant de type circulaire.
Note 2 à l'article: Dans le cas d’une distribution rectangulaire, l’ellipticité est souvent désignée sous le nom de
rapport.
Note 3 à l'article: Techniquement identique à l’ISO 11146-1 et à l’ISO 11145.
Note 4 à l'article: Contrairement à la définition donnée ici, dans la littérature, le terme ellipticité est parfois lié à
dz()
σ y
1− . La définition donnée ici a été choisie pour correspondre à la même définition d'ellipticité dans
dz
()
σx
l’ISO 11146-1 et l’ISO 11145.
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3.2.6
surface de la section du faisceau
A (z)
σ
surface du faisceau
avec une section circulaire
 π
Ad= ⋅ z
()
σσ 
 
ou une section elliptique
 π
Ad= ⋅ zd⋅ z
() ()
σσ  xyσ
 
Note 1 à l'article: Pour clarifier, le terme «surface de section transversale» est toujours utilisé combiné à un
symbole et son indice approprié: A ou A .
u σ
[SOURCE: ISO 11145:2018, 3.6.2]
3.2.7
surface de rayonnement d'écrêtage
i
Az
()
η
surface du rayonnement à la cote z pour laquelle la densité de puissance (d’énergie) dépasse le niveau
d'écrêtage de la densité de puissance (d’énergie) (3.1.7)
Note 1 à l'article: Pour permettre tous les types de distribution, par exemple, en «donut», la surface de
rayonnement d'écrêtage n'est pas définie en termes de largeurs de faisceau (3.2.4) d ou d .
σx σy
Note 2 à l'article: Voir densité de puissance (d'énergie) d'écrêtage (3.1.7).
3.2.8
densité de puissance (d’énergie) d'écrêtage moyenne
E (z), [H (z)]
ηave ηave
moyenne spatiale de la densité de puissance (d’énergie) de la distribution à la cote z, définie par la
moyenne pondérée:
Pz
()
η
Ez = pour les faisceaux cw
()
ηave
i
Az
()
η
Qz
()
η
Hz = pour les faisceaux impulsionnels
()
ηave
i
Az
()
η
Note 1 à l'article: E (z) et E (z) (voir 3.1.7) se réfèrent à différents paramètres.
ηave ηCL
3.2.9
facteur de planéité
F (z)
η
rapport entre la densité de puissance (d’énergie) d'écrêtage moyenne et la densité de puissance
(d’énergie) maximale de la distribution à la cote z
Ez
()
ηave
Fz = pour les faisceaux cw
()
η
Ez
()
max
Hz
()
ηave
Fz = pour les faisceaux impulsionnels
()
η
Hz
()
max
0 < F ≤ 1
η
Note 1 à l'article: Pour une distribution de la densité de puissance (d’énergie) ayant un sommet plat parfait F = 1.
η
3.2.10
uniformité du faisceau
U (z)
η
écart moyen quadratique normalisé de la distribution de la densité de puissance (d’énergie) par rapport
à sa valeur moyenne d'écrêtage à la cote z
 
Uz = Ex,,yz −Ez ddxy pour les faisceaux cw
() () ()
η ηave
∫∫
i  
Ez
()
Az
ηave ()
η
 
Uz = Hx,,yz −Hz ddxy pour les faisceaux impulsionnels
() () ()
η ηave
∫∫ 
i
Hz
()
Az
ηave ()
η
Note 1 à l'article: U = 0 indique une distribution complètement uniforme ayant un profil à sommet plat et arêtes
η
verticales, U est exprimé sous forme de fraction ou de pourcentage.
η
Note 2 à l'article: En utilisant l'intégration sur une surface de faisceau comprise dans les limites d'écrêtage 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 η = 0,3, 85 %, 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
mesure quantitative pour l’homogénéité des profils à sommet pratiquement plat
ΔE
FWHM
Uz = pour les faisceaux cw
()
p
E
max
ΔH
FWHM
Uz = pour les faisceaux impulsionnels
()
p
H
max
où ΔE [ΔH ] est la largeur totale à mi-hauteur (FWHM) de la crête proche de E [H ] de
FWHM FWHM max max
l'histogramme de densité de puissance (d’énergie) N N(E ) [N(H )], c’est-à-dire le nombre de points (x,y)
i i
auxquels une densité de puissance (d’énergie) E [H ] donnée est enregistrée
i i
Note 1 à l'article: 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)
η,ε
i i
différence normalisée entre les surfaces de rayonnement d'écrêtage (3.2.7) Az et Az et les
() ()
η ε
valeurs de densité de puissance (d’énergie) d'écrêtage supérieures à η E (z) [η H (z)] et ε E (z) [ε
max max max
H (z)] respectivement
max
ii
Az()− Az()
ηε
sz()=
ηε,
i
Az()
η
01≤<ηε <
01< ηε,
Note 1 à l'article: s (z) → 0 lorsque les arêtes de la distribution tendent vers la verticale.
η,ε
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Note 2 à l'article: η est généralement réglée à 10 %, ε à 90 % de la densité de puissance (d’énergie) maximale.
i
Note 3 à l'article: Les paramètres E , E , P , A , F , et U sont représentés à la Figure 1 pour une distribution
max ηave η η η
η
de densité de puissance (3.1.1) unidime
...