ISO 13695:2024
(Main)Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test methods for the spectral characteristics of lasers
Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test methods for the spectral characteristics of lasers
This document specifies methods by which the spectral characteristics such as wavelength, bandwidth, spectral distribution and wavelength stability of a laser beam can be measured. This document is applicable to both continuous wave (cw) and pulsed laser beams. The dependence of the spectral characteristics of a laser on its operating conditions may also be important.
Optique et photonique — Lasers et équipement associé aux lasers — Méthodes d'essai des caractéristiques spectrales des lasers
Le présent document spécifie des méthodes qui permettent de mesurer les caractéristiques spectrales, telles que la longueur d’onde, la largeur spectrale, la distribution spectrale et la stabilité en longueur d’onde d’un laser. Le présent document s’applique aux faisceaux laser continu et impulsionnel. La dépendance des caractéristiques spectrales d’un laser vis-à-vis de ses conditions de fonctionnement peut être également importante.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
International
Standard
ISO 13695
Second edition
Optics and photonics — Lasers
2024-11
and laser-related equipment —
Test methods for the spectral
characteristics of lasers
Optique et photonique — Lasers et équipement associé aux lasers
— Méthodes d'essai des caractéristiques spectrales des lasers
Reference number
© ISO 2024
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Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms. 7
5 Traceability . 8
6 Measurement of wavelength and bandwidth . 9
6.1 General .9
6.1.1 Preparations .9
6.1.2 Common laser types .9
6.2 Types of measurements .9
6.2.1 General .9
6.2.2 Low accuracy measurements .10
6.2.3 Medium accuracy measurements .10
6.2.4 High accuracy measurements .10
6.3 Equipment selection .10
6.4 Measurements in air .11
6.5 Measurements at low resolution . 12
6.5.1 Principle . 12
6.5.2 Measurement procedure . 12
6.5.3 Analysis . 13
6.6 Measurement at higher resolution . . 13
6.6.1 General . 13
6.6.2 Preliminary test . 13
6.6.3 Measurement with a grating spectrometer .14
6.6.4 Measurement with an interferometer .14
6.6.5 Measurement with photoelectric mixing methods . 15
−5 −4
6.6.6 Analysis for medium accuracy U /λ = U /ν in the range 10 to 10 .16
λ ν
−5
6.6.7 Analysis for high accuracy U /λ = U /ν < 10 .16
λ ν
7 Measurement of wavelength stability. 17
7.1 Dependence of the wavelength on operating conditions .17
7.2 Wavelength stability of a single frequency laser .17
8 Test report . 17
Annex A (informative) Refractive index of air .20
Annex B (informative) Criteria for the choice of a grating monochromatorand its
accessories — Calibration .21
Annex C (informative) Criteria for the choice of a Fabry-Perot interferometer .24
Bibliography .25
iii
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.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are described
in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the different types
of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the editorial rules of the
ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
ISO draws attention to the possibility that the implementation of this document may involve the use of (a)
patent(s). ISO takes no position concerning the evidence, validity or applicability of any claimed patent
rights in respect thereof. As of the date of publication of this document, ISO [had/had not] received notice of
(a) patent(s) which may be required to implement this document. However, implementers are cautioned that
this may not represent the latest information, which may be obtained from the patent database available at
www.iso.org/patents. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and expressions
related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the World Trade
Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and Photonics, Subcommittee SC 9,
Laser and electro-optical systems, in collaboration with the European Committee for Standardization (CEN)
Technical Committee CEN/TC 123, Lasers and photonics, in accordance with the Agreement on technical
cooperation between ISO and CEN (Vienna Agreement).
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 13595:2004) of which it constitutes a minor
revision.
The main changes are as follows:
— editorial changes related to the new format;
— the symbol for side-mode suppression ratio was adapted from SMS to R ;
SMS
— lg was changed to log in 3.15;
— the title of the SC 9 was updated;
— intensity was adapted to irradiance;
— in the Bibliography Reference 2 was updated and replaced by References 2 and 3.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
iv
Introduction
The spectral characteristics of a laser, such as its peak wavelength or spectral linewidth, are important for
potential applications. Examples are the specific application requirements of interferometry and lithography.
This document gives definitions of key parameters describing the spectral characteristics of a laser, and
provides guidance on performing measurements to determine these parameters for common laser types.
The acceptable level of uncertainty in the measurement of wavelength will vary according to the intended
application. Therefore, equipment selection and measurement and evaluation procedures are outlined for
three accuracy classes. To standardize reporting of spectral characteristics measurement results, a report
example is also included.
v
International Standard ISO 13695:2024(en)
Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment
— Test methods for the spectral characteristics of lasers
1 Scope
This document specifies methods by which the spectral characteristics such as wavelength, bandwidth,
spectral distribution and wavelength stability of a laser beam can be measured. This document is applicable
to both continuous wave (cw) and pulsed laser beams. The dependence of the spectral characteristics of a
laser on its operating conditions may also be important.
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 11145, Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and symbols
ISO/IEC Guide 99, International vocabulary of metrology — Basic and general concepts and associated terms (VIM)
IEC 60747-5-1, Discrete semiconductor devices and integrated circuits — Part 5-1: Optoelectronic devices — General
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 11145, ISO/IEC Guide 99 and
IEC 60747-5-1, and the following apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
wavelength in vacuum
λ
wavelength of an infinite, plane electromagnetic wave propagating in vacuum
Note 1 to entry: For a wave of frequency f, the wavelength in vacuum is then given by λ = c/f, where c = 299 792 458 m/s.
3.2
wavelength in air
λ
air
wavelength of radiation propagating in the air and related to the wavelength in vacuum by the relationship:
λ = λ / n
air 0 air
where n denotes the refractive index of ambient air (see 6.4)
air
Note 1 to entry: The specific properties of the ambient atmosphere, such as humidity, pressure, temperature and
composition all influence n . Therefore it is better to report the wavelength in vacuum, or the wavelength in standard
air
air. These can be calculated from λ and n using the equation given in 6.4.
air air
3.3
wavelength in dry air under standard conditions
λ
std
wavelength of radiation propagating in dry air (0 % humidity) under standard conditions and related to the
wavelength in vacuum λ by the relationship:
λ = λ / n
std 0 std
where n denotes the refractive index of air under standard conditions (see 6.4).
std
Note 1 to entry: For the purpose of this document, air under standard conditions is as defined in 6.4. Note that various
other “standard conditions” have been reported in the literature. It is therefore necessary to quote the conditions in
the test report.
3.4
spectral radiant power [energy] distribution
P (λ), [Q (λ)]
λ λ
ratio of the radiant power dP(λ) [or energy dQ(λ) in the case of a pulsed laser] transferred by laser beam in
the range of wavelength dλ to that range
dP()λ dQ()λ
P ()λ = Q ()λ =
λλ
dλ dλ
Note 1 to entry: The radiant power (energy) delivered by the laser beam in any bandwidth λ to λ is then given by
low high
the integral:
λ
high
λ
high
PP= λλddQQ= ()λλ
()
λλ
∫ ∫
λ
low
λ
low
3.5
peak-emission wavelength
λ
p
wavelength at which the spectral radiant power (energy) distribution has its maximum value
Note 1 to entry: See Figure 1.
3.6
weighted average wavelength (first moment)
λ
g
wavelength representing the centre of gravity of the spectral radiant power (energy) distribution, as defined by:
λ
max
λλS dλ
()
∫
λ
min
λ =
g
λ
max
S()λλd
∫
λ
min
where S(λ) is the spectral radiant power P (λ) in the case of a cw laser, or the spectral radiant energy
λ
distribution Q (λ) in the case of a pulsed laser
λ
Note 1 to entry: See Figure 1.
Note 2 to entry: For choosing of the integration limits λ and λ , see 6.2.2.
min max
3.7
central wavelength
λλ
weighted average of the wavelengths of spectral lines or modes:
ii=
max
I λ
ii
∑
ii=
min
λ =
ii=
max
I
i
∑
ii=
min
where
λ is the wavelength of the ith spectral line or the ith mode;
i
I is the relative radiant power of the ith spectral line or the ith mode;
i
i , i denote extreme spectral lines or modes below and above λ .
min max p
Note 1 to entry: Usually, the summation limits are chosen such that the relative radiant power of spectral lines or
modes outside the limits remains less than 1 % of the relative radiant power of the strongest line or mode, located at λ .
p
Note 2 to entry: This definition is particularly useful in the case of a multi-mode laser.
3.8
average wavelength
λ
av
ratio of the light velocity c to the average optical emission frequency f
av
λ = c/f
av av
Note 1 to entry: The average optical emission frequency f can be measured directly, e.g. by the heterodyne
av
measurement method (see 6.6.5).
3.9
RMS spectral radiation bandwidth (second moment)
Δλ
second moment of the spectral radiant power (energy) distribution, as defined by:
λ
max 2
λλ− S()λλd
()
g
∫
λ
min
Δλ =
λ
max
S λλd
()
∫
λ
min
where S(λ) is the spectral radiant power P (λ) in the case of a cw laser, or the spectral radiant energy
λ
distribution Q (λ) in the case of a pulsed laser.
λ
Note 1 to entry: See Figure 1.
Note 2 to entry: For choosing of the integration limits λ and λ see 6.2.2.
min max
3.10
RMS spectral bandwidth
Δλ
rms
rms bandwidth is defined by:
ii=
max 2
I ()λλ−
ii
∑
ii=
min
Δλ =
rms
ii=
max
I
i
∑
ii=
min
where
λ is the wavelength of the ith spectral line or the ith mode;
i
I is the relative radiant power of the ith spectral line or the ith mode;
i
is the central wavelength;
λ
i , i denote extreme spectral lines or modes below and above λ
min max p
Note 1 to entry: See Figure 1.
Note 2 to entry: Usually, the summation limits are chosen such that the relative radiant power of spectral lines outside
the limits remains less than 1 % of the relative radiant power of the strongest line, located at λ .
p
Note 3 to entry: This definition is particularly useful in the case of a multi-mode laser.
3.11
spectral bandwidth
FWHM
Δλ
H
maximum difference between the wavelengths for which the spectral radiant power (energy) distribution is
half of its peak value
Note 1 to entry: See Figure 1.
[SOURCE: ISO 11145:2018, 3.17, modified — The abbreviation “FWHM” has been added, “Δλ, Δν” has been
replaced by “Δλ ” and Note 1 to entry has been added.]
H
3.12
spectral linewidth
FWHM
Δλ
L
maximum difference between those wavelengths within δλ for which the spectral radiant power (energy)
distribution is half of its peak value found within δλ
Note 1 to entry: See Figure 1.
Note 2 to entry: cf. spectral bandwidth (3.11), Δλ
H
Note 3 to entry: A spectral linewidth is analogous to a spectral bandwidth (3.11), but is defined for a single (longitudinal)
mode or otherwise clearly distinguishable and labelled spectral feature contained within an interval δλ.
3.13
mode spacing
F (S )
msp msp
separation of two neighbouring longitudinal modes expressed in frequency (F ) (wavelength (S ))
msp msp
Note 1 to entry: See Figure 1.
Key
λ wavelength
Figure 1 — Spectral characteristics of lasers — Illustration of defined parameters
3.14
number of longitudinal modes
N
m
number of longitudinal modes within a specified bandwidth, usually the rms spectral bandwidth Δλ
rms
3.15
side-mode suppression ratio
R
SMS
ratio of the relative radiant power of the most intense mode, I , located at λ , to the relative radiant power of
p p
the second most intense mode, I , located at λ :
s s
I
p
R =10log
SMS 10
I
s
Note 1 to entry: See Figure 2.
Note 2 to entry: In practice the R can be assumed to be equal to the ratio of the peak values of the spectral
SMS
distribution for the most intense and second most intense modes:
S λ
()
p
R =10log
SMS 10
S λ
()
s
Key
λ wavelength
Figure 2 — Side-mode suppression ratio
3.16
pulse repetition rate
f
p
number of laser pulses per second of a repetitively pulsed laser
3.17
temperature dependence of wavelength
δλ
T
wavelength shift per change in temperature T of the laser:
dλ
δλ =
T
dT
3.18
current dependence of wavelength
δλ
c
wavelength shift per change in laser current I
dλ
δλ =
c
dI
3.19
Allan variance for a cw laser
σ (2,τ)
y
two sample variance of frequency fluctuations for an averaging time of τ seconds and is defined by:
[]yk()+−1 yk()
στ()2, =〈 〉
y
where
〈〉
denotes the average over an infinite set of data;
is the kth measurement of y in this set of data;
yk
()
y
is obtained by averaging y(t) over a time interval τ
Note 1 to entry: For frequency measurements, the fractional deviation y(t) is given by:
y(t) = [ν(t) − ν ]/ν
0 0
where
ν(t) is the instantaneous frequency;
ν is the nominal frequency.
The measurement intervals all have the same duration τ and there is no dead time between subsequent
measurement intervals. For times τ < 100 s, the data set has to consist of at least 100 data. For larger times τ;
the number of data may be reduced but shall be stated in the test report.
Note 2 to entry: y may be derived from heterodyne measurements where a frequency difference Δν is integrated over
an interval τ and normalized to the oscillation frequency ν .
Note 3 to entry: Since y = Δν/ν = −Δλ/λ, σ (2,τ) is at the same time a measure of the frequency stability and of the
y
wavelength stability.
Note 4 to entry: For further details see Reference [1].
3.20
instrumental response function
R(λ,λ )
response, i.e. the output signal, of the instrument at the wavelength setting λ to a monochromatic input of
wavelength λ
Note 1 to entry: Usually, over the wavelength range of the instrument, R(λ,λ ) is nearly independent of the input
wavelength λ , and the second argument is omitted. For a properly adjusted instrument, the first moment of the
instrumental response function R(λ,λ ), as defined by:
λ
max
λλR ,λλd
()
∫
λ
min
λ =
g
λ
max
R()λλ, dλ
∫
λ
min
should be equal to the input wavelength: λ = λ .
g 0
3.21
instrumental effective spectral bandwidth
Δλ (λ )
ins 0
second moment of the instrumental response function R(λ,λ ), as defined by:
λ
max
()λλ− R()λλ, dλ
g 0
∫
λ
min
Δλ λ =
()
ins 0
λ
max
R()λλ, dλ
∫
λ
min
Note 1 to entry: If, as usually assumed, R(λ,λ ) and therefore Δλ (λ ) are approximately independent of the input
0 ins 0
wavelength λ , the effective bandwidth Δλ is used without argument.
0 ins
4 Symbols and abbreviated terms
Symbol Unit Term
F Hz mode spacing in the frequency domain
msp
f
Hz pulse repetition rate
p
N number of longitudinal modes
m
n refractive index of ambient air
air
n refractive index of dry air under standard conditions
std
P W/m spectral radiant power distribution
λ
Symbol Unit Term
Q W⋅s/m spectral radiant energy distribution
λ
R()λλ, 1/m instrumental response function
S
m mode spacing in the wavelength domain
msp
spectral radiant power P (λ) in the case of a cw laser or the spectral radiant energy
λ
S(λ)
distribution Q (λ) in the case of a pulsed laser
λ
R dB side-mode suppression ratio
SMS
U expanded standard uncertainty for measurand x
x
δλ
m/K temperature dependence of wavelength
T
δλ m/A current dependence of wavelength
c
λ m wavelength
λ m wavelength in vacuum
λ m wavelength in air
air
λ m average wavelength
av
λ m weighted average wavelength (first moment)
g
λ
m peak-emission wavelength
p
λ m wavelength in dry air under standard conditions
std
m central wavelength
λ
Δλ m rms spectral radiation bandwidth (second moment)
Δλ m spectral bandwidth (FWHM)
H
Δλ m instrumental effective spectral bandwidth
ins
Δλ
m spectral linewidth (FWHM)
L
Δλ m measured spectral radiation bandwidth (second moment)
meas
Δλ m rms spectral bandwidth
rms
v Hz frequency of the wave
ν Hz free spectral range (FSR) of the Fabry-Perot (FP) interferometer
FSR
Allan variance characterizing the wavelength stability of a cw laser
στ()2,
Y
τ s pulse duration
H
5 Traceability
All measurement results shall be traceable to the SI Units. For example, the wavelength shall be traceable to the
meter by one of the methods recommended by the International Committee for Weights and Measures (CIPM).
NOTE For the meter, this is most commonly achieved by using a reference wavelength recommended by the CIPM,
for details see References [2][3].
6 Measurement of wavelength and bandwidth
6.1 General
6.1.1 Preparations
Depending on the spectral characteristics, the intended use of the laser and on the required level of
uncertainty U or U (as defined in ISO/IEC Guide 98-3) in the measurement of wavelength (or frequency) of
λ ν
the laser, U /λ = U /ν, different parameters need to be tested, see 6.2.
λ ν
In the case of a laser with unknown characteristics, an operational test should be performed in order to
select well-adapted instrumentation and the best choice of parameters to be measured.
It is assumed in this document that the spectral characteristics of the laser beam are the same throughout
the spatial power (energy) distribution in the beam. If this is not the case, spatially resolved measurements
could be achieved by means of limiting apertures.
As a guideline, three testing levels are proposed, see 6.2.
6.1.2 Common laser types
The choice of parameters most suitable for characterizing the spectral characteristics of a laser depend on
the type of laser. Common types of laser are:
a) broad-bandwidth lasers, for example pulsed lasers, or multi-mode lasers showing significant and fast
mode fluctuations;
b) multi-mode lasers with a stable mode-structure over the time-scale of interest;
c) single frequency lasers.
For these three types of lasers, the use of the following parameters is recommended:
— for a broad-bandwidth laser:
the weighted average wavelength (first moment) λ , rms spectral radiation bandwidth (second moment)
g
Δλ or spectral bandwidth (FWHM) Δλ ; the dependence of the wavelength δλ and/or δλ , on the
H T c
operating parameters, temperature and/or injection current;
— for a multi-mode laser:
the central wavelength λ , the rms spectral bandwidth Δλ , the mode spacing F (frequency
rms msp
domain) or S (wavelength domain), the number of longitudinal modes within a specified bandwidth
msp
N ; the dependence of the wavelength, δλ and/or δλ , on the operating parameters, temperature and/
m T c
or injection current;
— for a single frequency laser:
the peak wavelength λ or average wavelength λ and the spectral linewidth Δλ and side mode
p av L
suppression ratio R ; the dependence of the wavelength, δλ and/or δλ , on the operating parameters,
SMS T c
temperature and/or injection current, the Allan variance σ (2,τ) as a measure of wavelength stability.
y
6.2 Types of measurements
6.2.1 General
The spectral characteristics of the lasers are assumed to be stable during the duration of the measurements,
though this may need evaluation through subsequent stability and drift tests (see Clause 7).
6.2.2 Low accuracy measurements
−4
These measurements are useful at a typical uncertainty of U /λ = U /ν > 10 . This applies to broad
λ ν
bandwidth lasers, e.g. pulsed lasers or multi-mode cw lasers or measurements involving an instrument of
low resolution.
For these measurements, the individual modes need not be resolved and the weighted average wavelength,
λ , and the rms radiation bandwidth, Δλ, should be determined. The wavelength stability should be assessed
g
as a function of the operating parameters, i.e. δλ and/or δλ should be measured.
T c
For the determination of the weighted average wavelength, the integration limits λ and λ are usually
min max
chosen such that outside of this interval the spectral distribution remains smaller than 1 % of its maximum
value. In case other integration limits are used, these shall be reported in the test report.
There may be cases where the spectral distribution takes values not much smaller than 1 % of its maximum
value over a very wide range of wavelengths, e.g. for a narrow peak superimposed on a broad background. In
such a case, a considerable fraction of the total power may be found outside the integration limits. In addition,
for very narrow distributions the instrumental resolution may affect the measured maximum value of S(λ)
at λ , which in turn affects the integration limits. Care should be taken to ensure that the calculated value of
p
λ is not significantly influenced by this.
g
6.2.3 Medium accuracy measurements
−4 −5
These measurements are useful at a typical uncertainty U /λ = U /ν in the order of 10 to 10 . This applies
λ ν
to narrow bandwidth pulsed lasers or cw multi-mode lasers.
For these measurements, the individual modes are usually resolved and the mode spacing F (frequency
msp
domain) or S (wavelength domain), the number of longitudinal modes within a specified bandwidth N
msp m
and the side-mode suppression ratio R can be assessed. The central wavelength λ , the rms spectral
SMS
bandwidth Δλ should be determined. The wavelength stability as a function of the operating parameters,
rms
i.e. δλ and/or δλ , should be measured.
T c
6.2.4 High accuracy measurements
−5
These measurements are useful at a typical uncertainty of U /λ = U /ν < 10 . This applies to single mode
λ ν
lasers, or narrow bandwidth pulsed lasers.
For these measurements, possible side modes have to be identified and if applicable, the side-mode
suppression ratio R has to be determined.
SMS
The peak wavelength λ or average wavelength λ and the spectral linewidth Δλ , the dependence on
p av L
operating conditions δλ and/or δλ should be determined and, as a measure of the wavelength stability, the
T c
Allan variance σ (2,τ) should be measured.
y
6.3 Equipment selection
The proper equipment shall be chosen according to the required accuracy and the type of the laser. As an
example, a high resolution grating spectrometer may be capable of a practical resolving power R = λ/Δλ on
ins
5 6
the order of 10 to 10 .
In the case of a pulsed laser, interferometers can only be used if the pulse duration, τ , is large compared to
H
the inverse bandwidth of the instrument. For a Fabry-Perot interferometer with a free spectral range ν
FSR
and a finesse F, the minimum pulse duration is F/ν . For a two-wave interferometer with maximum path
FSR
difference L, the minimum pulse duration is L/c, where c is the speed of light.
The wavelength accuracy required may often be low. There may, however, be a requirement for high accuracy
in the measurement of the amplitude of the spectral power distribution, for example to determine spectral
flatness, ripple, etc. in the case of broad bandwidth sources.
Any optical component to be used to couple the laser beam to the measurement system (lenses, mirrors,
optical fibres, etc.) should be either spectrally insensitive, or spectrally characterized, within the range of
measurement. Their possible sensitivity to the state of polarization of the laser beam should be wavelength
independent, or characterized by for instance, proper wavelength-dependent Mueller matrices (see
ISO 12005). The polarization-dependent spectral response of the measurement system shall be taken into
account. Devices such as grating monochromators are known to have a polarization-dependent transmission
curve. The same can be true for detectors or for other components of the measurement system.
For narrow bandwidth laser beams the transmission can often be considered as flat, independent of the
polarization state.
As many types of lasers are susceptible to optical feedback, any reflections of laser light back to the laser,
e.g. from optical windows, filters or lenses should be avoided by, for example, tilting the elements or by the
use of optical isolators.
6.4 Measurements in air
If λ is measured, the measurement results depend on environmental conditions such as temperature,
air
atmospheric pressure and humidity, as these influence the refractive index of air. Also, the refractive index
varies with the wavelength itself (dispersion). If a laser with known wavelength is used as a reference,
the influence of the refractive index partially cancels, and only the smaller effect of dispersion (and its
dependence on the environmental conditions) needs to be taken into account.
The calculation of the refractive index starts with the dispersion formula of dry air. Under standard
−6
conditions, at a temperature of 15 °C, a pressure of 101 325 Pa, a CO volume fraction of 450 × 10
1)
[450 ppm ] and 0 % humidity, the refractive index of air may be calculated using an updated Edlén-Equation
(see Reference [4):
2406147 15998
n −11×=08342,54+ +
()
std
2 2
130−(/1000nm λ),38 91−( 0000nm/)λ
NOTE 1 The above formula is accurate to about one part in 10 for 300 nm < λ < 1 700 nm. Within the visible range,
significantly higher accuracy is achieved with this formula.
NOTE 2 n (633 nm) = 1,000 276 5, n (532 nm) = 1,000 278 2, n (1 530 nm) = 1,000 273 3.
std std std
— If the accepted level of uncertainty in the measurement of wavelength (or frequency) of the laser, U /λ = U /ν
λ m v m
−4
is larger than 10 , the atmospheric conditions need not be taken into account explicitly.
— If the accepted level of uncertainty in the measurement of wavelength (or frequency) of the U /λ = U /ν is less
λ m v m
−4
than or equal to 10 , measurement results shall be corrected by the following formula (see Reference [4]):
−5
1,04063221× 0 p
21− 0
nn−11=− × ×+11ε ×+x −−×f 3,,73450−×04011(/000nm λ) ×10
() () () ()
airstd
10+×,0036610 T
where
n is the refractive index in air;
air
n is the refractive index in dry air under standard conditions, see above, at the measurement wavelength;
std
T is the temperature, in °C;
f is the partial pressure of water vapour, in Pa;
p is the total atmospheric pressure, in Pa;
and the correction terms are defined as follows:
1) The use of ppm is deprecated. 1 ppm = 1 μl/l.
−8
1 + ε is the higher order, p and T, correction term, and 1 + ε = 1 + 10 × p × (0,601 − 0,009 72 × T);
−6
1 + x is a term taking into account deviations of CO volume fraction, φ , from 450 × 10 [450 ppm], and 1 +
2 CO2
x = 1 + 0,54 × (φ − 0,000 45).
CO2
Both correction terms may be taken to be equal to 1, if the accepted level of uncertainty in the wavelength, U /λ ,
λ m
−6
is larger than 10 .
φ is the CO volume fraction, in air.
CO2 2
−7
NOTE 3 The refractive index n is changed by approximately 1 × 10 by each of the following changes in the
air
−6
environmental conditions: temperature: ΔT = 0,1 °C, pressure: Δp = 30 Pa (or 0,3 mbar), CO -content: Δφ = 600 × 10
2 CO2
[600 ppm], humidity: Δf = 250 Pa.
NOTE 4 The above equations assume normal composition of the atmosphere. Enclosed apparatus may contain
−7
vapours of oils or solvents changing the refractive index by 1 × 10 or more. Particularly in the near infrared, the
wings of infrared absorption lines of water vapour, CO or other gases may need to be taken into account.
Further details may be found in Annex A.
If the accepted level of uncertainty in the measurement of wavelength (or frequency) of the laser, U /
λ
−7
λ = U /ν , is smaller than 10 , wavelength measurements shall be performed in vacuum or by frequency
m v m
measurements by heterodyne methods.
6.5 Measurements at low resolution
6.5.1 Principle
For unknown sources, a preliminary low-resolution measurement of the weighted average wavelength and
spectral radiation bandwidth shall be done in order to determine the required instrumentation.
For this test a grating monochromator of moderate size (focal length of the order of 30 cm) is appropriate.
A single instrument may be used for all kinds of laser devices, but the choice of some components and
accessories shall be made according to the spectral domain of the laser radiation.
The aspects of the choice of the instrument and the accessories are given in the informative Annex B.
6.5.2 Measurement procedure
The laser beam to be measured, or a fraction of this beam extracted from an appropriate beamsplitter,
shall be directed onto the input of the instrument e.g. the entrance slit of the monochromator. The aperture
ratio of the instrument should be matched to the beam by means of an appropriate optical system. This
usually requires focusing of the laser beam. It should be remembered that the instrument, e.g. the lips of the
entrance slit, can be damaged if too high a power density is used, and attenuators can be used if necessary.
The value of the effective spectral bandwidth of the instrument, Δλ , shall be checked using, as a reference,
ins
the beam of a narrow-linewidth laser adjusted to form a beam following approximately the same geometry.
For this test a narrow-linewidth laser can be any laser device known to provide a beam of spectral bandwidth
and of wavelength drift fluctuation at least 10 times smaller than the required value for Δλ (see 6.5.3). In
ins
many cases, a 633 nm free-running He-Ne laser will be adequate.
If the instrument is scanned over the wavelength range of interest, the step size should be adapted to the
required resolution. The time constant of the recorder has to be much smaller than the time it takes to scan
through the halfwidth of the line. For example, a factor of ten between both times still leads to a shift of a
tenth of the linewidth.
The dynamic range of the detector shall be large enough so that irradiance measurements cover at least
2 decades.
6.5.3 Analysis
The above procedure for measurements should allow the observation of the apparent spectral radiant
power (energy) distribution P (λ), or Q (λ), respectively. If necessary, correct for the spectral sensitivity of
λ λ
the instrument, the detector and the optics.
a) Apply any corrections to the wavelength scale and calculate the first moment of the measured spectral
radiant power (energy) distribution, i.e. the weighted average wavelength λ of the spectral radiant
g
power (energy) distribution.
For the determination of the weighted average wavelength, the integration limits λ and λ are
min max
usually chosen such that outside of this interval the spectral distribution remains smaller than 1 % of
its maximum value. In case other integration limits are used, these shall be reported in the test report.
There may be cases where the spectral distribution takes values not much smaller than 1 % of its
maximum value over a very wide range of wavelengths, e.g. for a narrow peak superimposed on a
broad background. In such a case, a considerable fraction of the total power may be found outside the
integration limits. In addition, for very narrow distributions the instrumental resolution may affect the
measured maximum value of S(λ) at λ , which in turn affects the integration limits. Care should be taken
p
to ensure that the calculated value of λ is not significantly influenced by this.
g
b) Calculate the second moment of the measured spectral radiant power (energy) distribution, Δλ
meas
(see 3.9).
c) Record the results in the test report data sheet.
d) Compare the second moment, Δλ , to the instrumental bandwidth Δλ .
meas ins
— If the second moment is found larger than 10 times the instrumental bandwidth, no further
measurement is needed and Δλ = Δλ .
meas
— If Δλ is found between 2 and 10 times the instrumental bandwidth Δλ , specify in the test
meas ins
report the corrected spectral width, calculated as ΔΔλλ= − Δλ or obtained by a
() ()
meas ins
deconvolution procedure.
— If the second moment is found smaller than 2 times the instrumental bandwidth, a higher resolving
power instrument shall be selected to further determine the spectral characteristics of the laser beam.
6.6 Measurement at higher resolution
6.6.1 General
All the measurements for evaluation of the spectral characteristics of a laser with uncertainty
−5
U /λ = U /ν < 10 should be performed in a mechanically and thermally stable environment.
λ ν
6.6.2 Preliminary test
For unknown sources a preliminary low-resolution measurement of the weighted average wavelength,
spectral radiation bandwidth shall be done in order to determine the required instrumentation.
The choice of the equipment necessary to further characterize the source depends on the following
properties:
a) The expected oscillation modes.
b) The cw or pulsed character of the laser: in the latter case the pulse duration, τ , shall be considered.
H
c) The spectral characteristics to be measured: wavelength, or spectral radiant power (energy)
distribution.
6.6.3 Measurement with a grating spectrometer
In this regime a high resolving power grating will be preferred in most cases, since it is adequate for the
measurement of both the wavelength and the spectral bandwidths. If a grating spectrometer is used, the
procedure is the same as in 6.5.2.
6.6.4 Measurement with an interferometer
A Fizeau interferometer (optical wedge), or preferentially a set of Fizeau interferometers, is a valuable tool to
measure the wavelength with high accuracy. Appropriate combination of the wedge angles and of the base
lengths of the several interferometers in a multi-stage arrangement allows the achievement of a relative
−8
accuracy of 10 in the measurement of a wavelength. The Fizeau interferometer can be used for both cw
and pulsed laser beams.
If only the spectral radiant power (energy) distribution is to be determined, a scanning or solid Fabry-Perot
(FP) interferometer can be used (see Annex C). There is, however, a limitation to the use of this kind of
instrument in the case of pulsed lasers. The pulse duration, τ , has to be longer than the product of finesse F
H
and cavity round-trip time t, which is given by:
t = 2nD/c
where
n is the refractive index of the optical medium;
D the distance between the two FP mirrors.
In the case of very short laser pulses, a grating spectrometer is more suitable.
A scanning Fabry-Perot interferometer will be preferred for the measurement of the spectral radiant power
of a cw laser; a solid Fabry-Perot interferometer will be preferred for the measurement of the spectral
energy distribution of a pulsed laser. In either case, the optical path length between the mirrors (nD) and/
or the finesse F should be large enough so that the instrumental resolution Δλ of the interferometer is at
ins
least 10 times smaller than the bandwidth of the spectral distribution. The free spectral range, ν = c/2nD,
FSR
of the instrument should be bigger than the bandwidth o
...
Norme
internationale
ISO 13695
Deuxième édition
Optique et photonique — Lasers
2024-11
et équipement associé aux
lasers — Méthodes d'essai des
caractéristiques spectrales des lasers
Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment —
Test methods for the spectral characteristics of lasers
Numéro de référence
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Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles (et abréviations) . 7
5 Traçabilité. 8
6 Mesurage de longueur d’onde et de bandes spectrales . 8
6.1 Généralités .8
6.1.1 Préparations .8
6.1.2 Types de lasers communs .9
6.2 Types de mesurages .9
6.2.1 Généralités .9
6.2.2 Mesurages à faible degré d’exactitude .9
6.2.3 Mesurages à moyen degré d’exactitude .10
6.2.4 Mesurages à haut degré d’exactitude .10
6.3 Choix de l’équipement .10
6.4 Mesurages dans l’air .11
6.5 Mesurages à faible résolution . . 12
6.5.1 Principe. 12
6.5.2 Procédure de mesure . 12
6.5.3 Analyse . 13
6.6 Mesurage à plus haute résolution . 13
6.6.1 Généralités . 13
6.6.2 Essai préliminaire .14
6.6.3 Mesurage mettant en œuvre un spectromètre à réseau .14
6.6.4 Mesurage mettant en œuvre un interféromètre .14
6.6.5 Mesurage mettant en œuvre des méthodes de mélange photoélectriques .16
−5 −4
6.6.6 Analyse pour un degré d’exactitude moyen U /λ = U /ν dans la plage 10 à 10 .16
λ ν
−5
6.6.7 Analyse pour un degré d’exactitude élevé U /λ = U /ν < 10 .17
λ ν
7 Mesurage de la stabilité en longueur d’onde . 17
7.1 Dépendance de la longueur d’onde aux conditions de fonctionnement .17
7.2 Stabilité en longueur d’onde d’un laser monofréquence .17
8 Rapport d’essai .18
Annexe A (informative) Indice de réfraction de l'air .20
Annexe B (informative) Critères pour le choix d'un monochromateur à réseau et ses accessoires
— Étalonnage .21
Annexe C (informative) Critères pour le choix d'un interféromètre de Fabry-Pérot .24
Bibliographie .25
iii
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’ISO attire l’attention sur le fait que la mise en application du présent document peut entraîner l’utilisation
d’un ou de plusieurs brevets. L’ISO ne prend pas position quant à la preuve, à la validité et à l’applicabilité de
tout droit de propriété revendiqué à cet égard. À la date de publication du présent document, l’ISO n'avait pas
reçu notification qu’un ou plusieurs brevets pouvaient être nécessaires à sa mise en application. Toutefois,
il y a lieu d’avertir les responsables de la mise en application du présent document que des informations
plus récentes sont susceptibles de figurer dans la base de données de brevets, disponible à l'adresse
www.iso.org/brevets. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir identifié tout ou partie de
tels droits de propriété.
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 www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-comité
SC 9, Lasers et systèmes électro-optiques, en collaboration avec le comité technique CEN/TC 123, Lasers et
photonique, du Comité européen de normalisation (CEN) conformément à l’Accord de coopération technique
entre l’ISO et le CEN (Accord de Vienne).
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 13695:2004) dont elle constitue une
révision mineure.
Les principales modifications sont les suivantes:
— changements éditoriaux par rapport au nouveau format;
— le symbole pour le rapport de suppression de mode latéral a été adapté de SMS à R ;
SMS
— lg a été changé en log dans le 3.15;
— le titre du SC 9 a été mis à jour;
— l'intensité a été adaptée en rayonnement;
— dans la Bibliographie, la Référence 2 a été mise à jour et remplacée par les Références 2 et 3.
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.
iv
Introduction
Les caractéristiques spectrales d’un laser, telles que sa longueur d’onde au sommet de l’émission ou sa largeur
de raie spectrale, sont importantes pour les applications potentielles. À titre d’exemples, citons les exigences
d’applications spécifiques dans les domaines de l’interférométrie et de la lithographie. Le présent document
donne des définitions de paramètres clés décrivant les caractéristiques spectrales d’un laser et fournit des
lignes directrices concernant la réalisation de mesurages destinés à déterminer lesdits paramètres pour les
types de lasers communs.
Le degré d’incertitude acceptable dans le mesurage de la longueur d’onde varie en fonction de l’application
envisagée. Pour cette raison, le choix de l’équipement, le mesurage et les procédures d’évaluation sont indiqués,
dans leurs grandes lignes, pour trois classes d’exactitude. Afin de normaliser les rapports de consignation des
résultats de mesurage des caractéristiques spectrales, un exemple de rapport est également prévu.
v
Norme internationale ISO 13695:2024(fr)
Optique et photonique — Lasers et équipement associé aux
lasers — Méthodes d'essai des caractéristiques spectrales
des lasers
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie des méthodes qui permettent de mesurer les caractéristiques spectrales,
telles que la longueur d’onde, la largeur spectrale, la distribution spectrale et la stabilité en longueur d’onde
d’un laser. Le présent document s’applique aux faisceaux laser continu et impulsionnel. La dépendance des
caractéristiques spectrales d’un laser vis-à-vis de ses conditions de fonctionnement peut être également
importante.
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
Guide ISO/IEC 99, Vocabulaire international de métrologie — Concepts fondamentaux et généraux et termes
associés (VIM)
IEC 60747-5-1, Dispositifs discrets à semi-conducteurs et circuits intégrés — Partie 5-1: Dispositifs
optoélectroniques — Généralités
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et les définitions de l'ISO 11145, de l'ISO/IEC Guide 99 et de
l'IEC 60747-5-1, et les 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 https:// www .electropedia .org/
3.1
longueur d’onde dans le vide
λ
longueur d’onde d’une onde électromagnétique infinie, plane et se propageant dans le vide
Note 1 à l'article: Pour une onde de fréquence f, la longueur d’onde dans le vide est donnée par l’équation λ = c/f, où
c = 299 792 458 m/s.
3.2
longueur d’onde dans l’air
λ
air
longueur d’onde d’un rayonnement se propageant dans l’air et rapportée à la longueur d’onde dans le vide
par la relation:
λ = λ / n
air 0 air
où n représente l’indice de réfraction de l’air ambiant (voir 6.4)
air
Note 1 à l'article: Les propriétés spécifiques de l’air ambiant, telles que l’humidité, la pression, la température et la
composition de l’air, ont toutes une influence sur n . Pour cette raison, il est préférable d’indiquer dans le rapport la
air
longueur d’onde dans le vide ou la longueur d’onde dans l’air aux conditions normales. Ces longueurs d’onde peuvent
être calculées à partir de λ et n en utilisant la formule donnée en 6.4.
air air
3.3
longueur d’onde dans l’air sec et dans des conditions normales
λ
nor
longueur d’onde d’un rayonnement se propageant dans l’air sec (0 % d’humidité), dans des conditions
normales et rapportée à la longueur d’onde dans le vide λ par la relation:
λ = λ / n
nor 0 nor
où n représente l’indice de réfraction de l’air dans des conditions normales (voir 6.4)
nor
Note 1 à l'article: Pour les besoins du présent document, les conditions normales de l’air correspondent à la définition
donnée en 6.4. Il convient de noter que les articles rédigés en la matière font référence à diverses autres «conditions
normales». Il est donc nécessaire de préciser les conditions atmosphériques dans le rapport d’essai.
3.4
distribution spectrale de puissance (énergie) rayonnante
P (λ), [Q (λ)]
λ λ
rapport de la puissance rayonnante dP(λ) [ou de l’énergie dQ(λ), dans le cas d'un laser impulsionnel],
transmise par le faisceau laser dans le domaine élémentaire de la longueur d’onde dλ, à ce domaine
dP()λ dQ()λ
P λ = Q λ =
() ()
λλ
dλ dλ
Note 1 à l'article: La puissance (énergie) rayonnante émise par le faisceau laser, quelle que soit la largeur spectrale
λ à λ , est donc donnée par l’intégrale.
basse haute
λ λ
haute haute
PP= λλddQQ= λλ
() ()
λ λ
∫∫
λ λ
basse basse
3.5
longueur d’onde de crête de l’émission
λ
p
longueur d’onde à laquelle la distribution spectrale de puissance (énergie) rayonnante atteint sa valeur
maximale
Note 1 à l'article: Voir Figure 1.
3.6
barycentre de la longueur d’onde (moment de premier ordre)
λ
g
longueur d’onde représentant le centre de gravité de la distribution spectrale de puissance (énergie)
rayonnante, telle que définie par:
λ
max
λλS dλ
()
∫
λ
min
λ =
g
λ
max
S λλd
()
∫
λ
min
où S(λ) est la puissance rayonnante spectrale P (λ), dans le cas d’un laser continu, ou la distribution spectrale
λ
d’énergie rayonnante Q (λ), dans le cas d’un laser impulsionnel
λ
Note 1 à l'article: Voir Figure 1.
Note 2 à l'article: Pour le choix des limites d'intégration λ et λ , voir 6.2.2.
min max
3.7
longueur d’onde centrale
λ
moyenne pondérée des longueurs d’onde des raies ou modes spectraux:
ii=
max
Iλ
∑ ii
ii=
min
λ =
ii=
max
I
∑ i
ii=
min
où
ième ième
λ est la longueur d’onde de la i raie spectrale ou du i mode;
i
ième ième
I est la puissance rayonnante relative de la i raie spectrale ou du i mode;
i
i , i représentent les valeurs extrêmes des raies ou modes spectraux en dessous et au-dessus
min max
de λ .
p
Note 1 à l'article: Généralement, les limites de sommation sont choisies de sorte que la puissance rayonnante relative
des raies ou modes spectraux hors limites demeure inférieure à 1 % de la puissance rayonnante relative de la raie ou
du mode dont l’intensité est la plus élevée, située à λ .
p
Note 2 à l'article: Cette définition est particulièrement utile dans le cas de laser multimode.
3.8
longueur d’onde moyenne
λ
moy
rapport de la vitesse de la lumière c à la fréquence d’émission optique moyenne f
moy
λ = c/f
moy moy
Note 1 à l'article: La fréquence d’émission optique moyenne f peut être directement mesurée, par exemple par la
moy
méthode de mesurage hétérodyne (voir 6.6.5).
3.9
largeur spectrale quadratique moyenne de rayonnement (moment de second ordre)
Δλ
moment de second ordre de la distribution spectrale de puissance (énergie) rayonnante, tel que défini par:
λ 2
max
λλ− S λλd
() ()
g
∫
λ
min
Δλ =
λ
max
S λλd
()
∫
λ
min
où S(λ) est la puissance rayonnante spectrale P (λ), dans le cas d’un laser continu, ou la distribution spectrale
λ
d’énergie rayonnante Q (λ), dans le cas d’un laser impulsionnel
λ
Note 1 à l'article: Voir Figure 1.
Note 2 à l'article: Pour le choix des limites d’intégration λ et λ voir 6.2.2.
min max
3.10
largeur spectrale quadratique moyenne
Δλ
rms
largeur de bande quadratique moyenne, définie par:
ii=
max
I λλ−
()
∑ ii
ii=
min
Δλ =
rms ii=
max
I
∑ i
ii=
min
où
ième ième
λ est la longueur d’onde de la i raie spectrale ou du i mode;
i
ième ième
I est la puissance rayonnante relative de la i raie spectrale ou du i mode;
i
est la longueur d’onde centrale;
λ
i , i représentent les valeurs extrêmes des raies ou modes spectraux en dessous et au-dessus
min max
de λ .
p
Note 1 à l'article: Voir Figure 1.
Note 2 à l'article: Généralement, les limites de sommation sont choisies de sorte que la puissance rayonnante relative
des raies ou modes spectraux hors limites demeure inférieure à 1 % de la puissance rayonnante relative de la raie ou
du mode dont l’intensité est la plus élevée, à λ .
p
Note 3 à l'article: Cette définition est particulièrement utile dans le cas d'un laser multimode.
3.11
largeur spectrale
FWHM
Δλ
H
différence maximale entre les longueurs d’onde pour lesquelles la distribution spectrale de puissance
(énergie) rayonnante atteint la moitié de sa valeur crête
Note 1 à l'article: Voir Figure 1.
[SOURCE: ISO 11145:2018, 3.17, modifiée — L'abréviation “FWHM” a été ajoutée, “Δλ, Δν” a été remplacé par
“Δλ ” et la Note 1 à l'article a été ajoutée.]
H
3.12
largeur de raie spectrale
FWHM
Δλ
L
différence maximale entre ces mêmes longueurs d’onde situées dans les limites de δλ pour lesquelles la
distribution spectrale de puissance (énergie) rayonnante atteint la moitié de sa valeur crête dans les limites de δλ
Note 1 à l'article: Voir Figure 1.
Note 2 à l'article: cf. largeur spectrale (3.11), Δλ
H
Note 3 à l'article: Une largeur de raie spectrale est identique à une largeur spectrale (3.11), mais est définie pour un
mode simple (longitudinal) ou autrement pour un élément spectral clairement identifiable et déclaré dans les limites
d’un intervalle δλ.
3.13
intervalle entre modes
F (S )
msp msp
séparation entre deux modes longitudinaux voisins, exprimée en fréquence (F ) (longueur d’onde (S ))
msp msp
Note 1 à l'article: Voir Figure 1.
Key
λ longueur d’onde
Figure 1 — Caractéristiques spectrales des lasers — Schéma illustrant les paramètres définis
3.14
nombre de modes longitudinaux
N
m
nombre de modes longitudinaux dans les limites d’une largeur de bande spécifiée, correspondant
généralement à la largeur spectrale quadratique moyenne de rayonnement Δλ
rms
3.15
rapport de suppression de mode latéral
R
SMS
rapport de la puissance rayonnante relative du mode dont l’intensité est la plus élevée, I , situé à λ , à la
p p
puissance rayonnante relative du deuxième mode le plus intense, I , situé à λ :
s s
I
p
R =10log
SMS 10
I
s
Note 1 à l'article: Voir Figure 2.
Note 2 à l'article: Dans la pratique, le rapport R peut être supposé égal au rapport des valeurs aux sommets de la
SMS
distribution spectrale pour le mode le plus intense et le deuxième mode le plus intense:
S λ
()
p
R =10log
SMS 10
S λ
()
s
Key
λ longueur d’onde
Figure 2 — Rapport de suppression de mode latéral
3.16
fréquence de répétition des impulsions
f
p
nombre d’impulsions laser par seconde dans un laser à impulsions répétitives
3.17
variation de la longueur d’onde en fonction de la température
δλ
T
décalage spectral suite à une variation de la température T dans le laser:
dλ
δλ =
T
dT
3.18
variation de la longueur d’onde en fonction du courant
δλ
c
décalage spectral suite à une variation du courant laser I
dλ
δλ =
c
dI
3.19
variance d’Allan pour un laser continu
σ (2,τ)
y
variance de deux échantillons des fluctuations en fréquence pour un temps d’intégration de τ secondes et
est définie par:
yk +1 − yk
() ()
2
στ ,2 =〈 〉
()
y
où
〈〉 représente la valeur moyenne sur un ensemble infini de données;
ième
est la k mesure de y sur cet ensemble de données;
yk
()
y
est obtenue en moyennant y(t) sur un intervalle de temps τ.
Note 1 à l'article: Pour les mesures de fréquence, l’écart fractionnaire y(t) est donné par:
y(t) = [ν(t) − ν ]/ν
0 0
où
ν(t) est la fréquence instantanée;
ν est la fréquence nominale.
Tous les intervalles de mesure ont la même durée τ et aucun temps mort ne sépare les intervalles de mesure
successifs. Pour des durées τ <100 s, l’ensemble de données doit contenir au moins 100 données, alors que
pour des séquences d’une durée τ plus longue, le nombre de données peut être réduit; dans ce cas, il doit être
déclaré dans le rapport d’essai.
Note 2 à l'article: y peut être dérivé des mesures hétérodynes effectuées sur la base d’une différence en fréquence Δν
intégrée sur un intervalle de temps τ et normalisée par rapport à la fréquence d’oscillation ν .
Note 3 à l'article: Puisque y = Δν/ν = −Δλ/λ, σ (2,τ) est en même temps une mesure de la stabilité en fréquence et de la
y
stabilité en longueur d’onde.
Note 4 à l'article: Pour plus de détails, voir la Référence [1] en Bibliographie.
3.20
fonction de réponse instrumentale
R(λ,λ )
réponse, par exemple signal de sortie, d’un instrument calé sur une longueur d’onde λ, à un signal d’entrée
monochromatique d’une longueur d’onde λ
Note 1 à l'article: Généralement, sur la gamme de longueurs d’onde de l’instrument, R(λ,λ ) est quasi indépendante
de la longueur d’onde λ à l’entrée, et le second argument n’est pas pris en compte. Pour un instrument correctement
réglé, il convient que le moment de premier ordre de la fonction de réponse instrumentale R(λ,λ ), tel que défini par:
λ
max
,λλR λλd
()
∫
λ
min
λ =
g
λ
max
,R λλ dλ
()
∫
λ
min
il convient d'être égal à la longueur d’onde du signal d’entrée, λ = λ .
g 0
3.21
largeur spectrale efficace instrumentale
Δλ (λ )
ins 0
moment de second ordre de la fonction de réponse instrumentale R(λ,λ ), tel que défini par:
λ 2
max
,λλ− R λλ dλ
()
()
g 0
∫
λ
min
Δλλ =
()
ins 0
λ
max
,R λλ dλ
()
∫
λ
min
Note 1 à l'article: Si R(λ,λ ), et donc Δλ (λ ), telles que généralement supposées, sont quasi indépendantes de la
0 ins 0
longueur d’onde du signal d’entrée λ , la largeur spectrale efficace Δλ est utilisée sans argument.
0 ins
4 Symboles (et abréviations)
Symbole Unité Terme
F Hz intervalle entre modes dans le domaine de fréquence
msp
f Hz fréquence de répétition des impulsions
p
N nombre de modes longitudinaux
m
n indice de réfraction de l’air ambiant
air
n indice de réfraction de l’air sec dans des conditions normales
nor
Symbole Unité Terme
P W/m distribution spectrale de puissance rayonnante
λ
Q Ws/m distribution spectrale d’énergie rayonnante
λ
R(λ,λ ) 1/m fonction de réponse instrumentale
S m intervalle entre modes dans le domaine des longueurs d’onde
msp
puissance de rayonnement spectral P (λ) dans le cas d’un laser continu ou distribution de
λ
S(λ)
l’énergie de rayonnement spectral Q (λ) dans le cas d’un laser impulsionnel
λ
R dB rapport de suppression de mode latéral
SMS
U incertitude-type élargie pour un mesurande x
x
δλ m/K variation de la longueur d’onde en fonction de la température
T
δλ m/A variation de la longueur d’onde en fonction du courant
c
λ m longueur d’onde
λ m longueur d’onde dans le vide
λ m longueur d’onde dans l’air
air
λ m longueur d’onde moyenne
moy
λ m barycentre de la longueur d’onde (moment de premier ordre)
g
λ m longueur d’onde de crête de l’émission
p
λ m longueur d’onde dans l’air sec et dans des conditions normales
nor
m longueur d’onde centrale
λ
Δλ m largeur spectrale quadratique moyenne de rayonnement (moment de second ordre)
Δλ m largeur spectrale à mi-hauteur (FWHM)
H
Δλ m largeur spectrale efficace instrumentale
ins
Δλ m largeur de raie spectrale (FWHM)
L
Δλ m largeur spectrale mesurée de rayonnement (moment de second ordre)
mes
Δλ m largeur spectrale quadratique moyenne de rayonnement
rms
ν Hz fréquence de l’onde
ν Hz plage spectrale libre de l’interféromètre Fabry-Pérot
FSR
σ (2,τ) variance d’Allan caractérisant la stabilité en longueur d’onde dans un laser continu
y
τ s durée d’impulsion
H
5 Traçabilité
La traçabilité de tous les résultats des mesurages doit être assurée par rapport aux unités SI. Par exemple,
la longueur d’onde doit être traçable et rapportée au mètre par l’une des méthodes recommandées par le
Comité international des poids et mesures (CIPM).
NOTE Pour le mètre, cela est plus généralement réalisé par l’utilisation d’une longueur d’onde de référence
recommandée par le CIPM; pour plus de détails, voir Références [2][3] en Bibliographie.
6 Mesurage de longueur d’onde et de bandes spectrales
6.1 Généralités
6.1.1 Préparations
Compte tenu des caractéristiques spectrales, de l’utilisation envisagée du laser et du degré requis
d’incertitude U ou U (telles que définies dans l'ISO/IEC Guide 98-3) lors du mesurage de la longueur d’onde
λ ν
(ou de la fréquence) du laser, U /λ = U /ν, différents paramètres nécessitent une mise à l’essai, voir 6.2.
λ ν
Lorsque les caractéristiques d’un laser ne sont pas connues, il convient d’effectuer un essai de fonctionnement
afin de choisir un appareillage bien adapté et de sélectionner au mieux les paramètres à mesurer.
Le présent document suppose que les caractéristiques spectrales du faisceau laser sont identiques d’un bout
à l’autre de la distribution spatiale de puissance (énergie) dans le faisceau. Sinon, les mesurages à résolution
spatiale pourraient être réalisés au moyen d’ouvertures limitatives.
Trois niveaux d’essais sont proposés en tant que principe directeur, voir 6.2.
6.1.2 Types de lasers communs
Le choix des paramètres les mieux appropriés pour caractériser les caractéristiques spectrales d’un laser
dépend du type de laser. Les types de lasers communs sont:
a) lasers à large bande, tels que par exemple les lasers impulsionnels ou les lasers multimodes affichant
des fluctuations de modes significatives et rapides;
b) lasers multimodes à structure modale stable sur l’échelle de temps envisagée;
c) lasers monofréquence.
Pour ces trois types de lasers, il est recommandé d’utiliser les paramètres suivants:
— pour un laser à large bande:
le barycentre de la longueur d’onde (moment de premier ordre) λ , la largeur spectrale quadratique
g
moyenne de rayonnement (moment de second ordre) Δλ ou la largeur spectrale (FWHM) Δλ ; la
H
dépendance de la longueur d’onde δλ et/ou δλ , par rapport aux conditions de fonctionnement,
T c
température et/ou courant d’injection;
— pour un laser multimode:
la longueur d’onde centraleλ , la largeur spectrale quadratique moyenne Δλ , l’intervalle entre modes
rms
F (domaine fréquentiel) ou S (domaine de longueurs d’onde), l’intervalle entre modes longitudinaux
msp msp
dans les limites de la largeur de bande spécifiée N ; la dépendance de la longueur d’onde δλ et/ou δλ
m T c
par rapport aux conditions de fonctionnement, température et/ou courant d’injection;
— pour un laser monofréquence:
la longueur d’onde (maximale) au sommet de l’émission λ ou la longueur d’onde moyenne λ , ainsi que
p moy
la largeur de raie spectrale Δλ et le rapport de suppression de mode latéral R ; la dépendance de la
L SMS
longueur d’onde δλ et/ou δλ , par rapport aux conditions de fonctionnement, température et/ou courant
T c
d’injection ainsi que la variance d’Allan σ (2,τ) permettant de mesurer la stabilité en longueur d’onde.
y
6.2 Types de mesurages
6.2.1 Généralités
Les caractéristiques spectrales des lasers sont supposées être stables pendant la durée des opérations de
mesurage; cependant, cela peut nécessiter une évaluation par comparaison avec la stabilité ultérieure et par
des essais de dérive (voir Article 7).
6.2.2 Mesurages à faible degré d’exactitude
−4
Ces mesurages sont utiles pour une incertitude-type de U /λ = U /ν > 10 . Cela s’applique aux lasers à large
λ ν
bande, tels que par exemple les lasers impulsionnels ou les lasers multimodes continus, ou aux mesurages
utilisant un instrument de faible résolution.
Pour ces mesurages, les modes individuels n’ont pas besoin d’être résolus et il convient de déterminer le
barycentre de la longueur d’onde λ ainsi que la largeur de bande quadratique moyenne de rayonnement
g
Δλ. Il est recommandé d’évaluer la stabilité en longueur d’onde en tant que fonction des paramètres de
fonctionnement, c’est-à-dire qu’il y a lieu de mesurer δλ et/ou δλ .
T c
Pour la détermination du barycentre de la longueur d’onde, les limites d’intégration λ et λ sont
min max
généralement choisies de sorte que en dehors de cet intervalle, la distribution spectrale demeure inférieure à
1 % de sa valeur maximale. En cas d’utilisation d’autres limites d’intégration, celles-ci doivent être indiquées
dans le rapport d’essai.
Des cas peuvent se présenter où la distribution spectrale prend des valeurs qui ne sont pas bien inférieures à
1% de sa valeur maximale sur une gamme très étendue de longueurs d’onde, par exemple pour un pic étroit
superposé sur un signal de fond à large bande. Dans de tels cas, une fraction considérable de la puissance
totale peut se trouver à l’extérieur des limites d’intégration. En outre, pour des distributions à bande très
étroite, la résolution instrumentale peut affecter la valeur maximale mesurée de S(λ) à λ , laquelle influe
p
à son tour sur les limites d’intégration. Il faut veiller à ce que cela n’affecte pas de manière significative la
valeur calculée de λ .
g
6.2.3 Mesurages à moyen degré d’exactitude
–4 –5
Ces mesurages sont utiles pour une incertitude-type U /λ = U /ν de l’ordre de 10 à 10 . Cela s’applique aux
λ ν
lasers impulsionnels ou multimodes continus à bande étroite.
Pour ces mesurages, les modes individuels sont généralement résolus et il est possible d’évaluer l’intervalle
entre modes F (domaine fréquentiel) ou S (domaine de longueurs d’onde), le nombre de modes
msp msp
longitudinaux dans les limites de la largeur de bande spécifiée N , ainsi que le rapport de suppression de
m
mode latéral R . Il convient de déterminer la longueur d’onde centrale λ et la largeur de bande quadratique
SMS
moyenne de rayonnement Δλ . Il y a lieu de mesurer la stabilité en longueur d’onde en tant que fonction
rms
des paramètres de fonctionnement, c’est-à-dire δλ et/ou δλ .
T c
6.2.4 Mesurages à haut degré d’exactitude
−5
Ces mesurages sont utiles pour une incertitude-type de U /λ = U /ν < 10 . Cela s’applique aux lasers à mode
λ ν
unique ou aux lasers impulsionnels à bande étroite.
Pour ces mesurages, les modes latéraux possibles doivent être identifiés et, le cas échéant, le rapport de
suppression de mode latéral R doit être déterminé.
SMS
Il convient de définir la longueur d’onde au sommet de l’émission λ ou la longueur d’onde moyenne λ
p moy
ainsi que la largeur de raie spectrale Δλ et la dépendance par rapport aux conditions de fonctionnement δλ
L T
et/ou δλ ; de même, il y a lieu de mesurer la variance d’Allan σ (2,τ) permettant de déterminer la stabilité
c y
en longueur d’onde.
6.3 Choix de l’équipement
L’équipement adéquat doit être choisi en fonction du degré requis d’exactitude et du type de laser. À
titre d’exemple, un spectromètre à réseau à haute résolution peut être à même d’atteindre un pouvoir de
5 6
résolution R = λ/Δλ de l’ordre de 10 à 10 .
ins
S’agissant d’un laser impulsionnel, les interféromètres ne peuvent être utilisés que dans la mesure où la
durée d’impulsion τ est suffisamment importante, comparée à la largeur de bande inverse de l’instrument.
H
Pour un interféromètre de Fabry-Pérot disposant d’un intervalle spectral libre ν et d’une finesse F, la
FSR
durée d’impulsion minimale est F/ν . Pour un interféromètre à deux longueurs d’onde avec une différence
FSR
de parcours maximale L, la durée d’impulsion minimale est L/c, où c représente la vitesse de la lumière.
L’exactitude requise en matière de longueur d’onde peut souvent être faible. Cependant, pour une exactitude
élevée, le mesurage de l’amplitude de la distribution spectrale de puissance peut répondre à une exigence afin,
par exemple, de déterminer l’uniformité du spectre, les variations, etc. dans le cas de sources à large bande.
Il convient que tout composant optique destiné à coupler le faisceau laser au système de mesure (lentilles,
miroirs, fibres optiques, etc.) soit insensible au spectre ou caractérisé, en termes de spectre, dans les limites
de l’étendue de mesure. Il convient que sa sensibilité éventuelle à l’état de polarisation du faisceau laser soit
indépendante de la longueur d’onde ou caractérisée, par exemple, par des matrices de Mueller adéquates,
dépendantes de la longueur d’onde (voir l'ISO 12005). La réponse spectrale du système de mesure,
dépendante de la polarisation, doit être prise en considération, le cas échéant. Des dispositifs tels que des
monochromateurs à réseau sont réputés avoir une courbe de transmission dépendante de la polarisation.
Cela peut être vrai pour les détecteurs ou pour d’autres composants du système de mesure.
Pour les faisceaux laser à bande étroite, la transmission peut souvent être considérée comme uniforme,
indépendamment de l’état de polarisation.
Dans la mesure où un grand nombre de types de lasers est sensible à une rétroaction optique, il convient
d’éviter toutes les réflexions de la lumière laser vers le laser générées, par exemple, à partir des fenêtres
optiques, de filtres ou de lentilles, par exemple en inclinant les éléments ou par la mise en place d’isolateurs
optiques.
6.4 Mesurages dans l’air
Lorsque λ est mesurée, les résultats des mesurages dépendent des conditions ambiantes, telles que
air
la température, la pression atmosphérique et l’humidité, ces dernières ayant une influence sur l’indice
de réfraction de l’air. En outre, l’indice de réfraction varie en fonction de la longueur d’onde elle-même
(dispersion). Lorsqu’un laser dont la longueur d’onde est connue est utilisé comme référence, l’influence de
l’indice de réfraction est partiellement annulée, et seul le faible effet de dispersion (ainsi que sa dépendance
vis-à-vis des conditions ambiantes) mérite d’être pris en considération.
Le calcul de l’indice de réfraction commence par l’application de la formule de détermination de la dispersion
dans l’air sec. Dans des conditions normales, à une température de 15 °C et une pression de 101 325 Pa, dans
−6 1)
une fraction volumique de CO de 450 × 10 [450 ppm ] et avec 0 % d’humidité, l’indice de réfraction de
l’air peut être calculé en utilisant une équation d’Edlén mise à jour (voir Référence [4] en Bibliographie):
2406147 15998
n −11×=08342,54+ +
()
nor
2 2
130− 1000nm/,λ 38 91− 000nnm/λ
() ()
NOTE 1 L’exactitude de la formule ci-dessus est de l’ordre de 10 pour 300 nm < λ < 1 700 nm. Pour un laser émettant
dans les limites du visible, cette formule permet d’atteindre une exactitude largement plus élevée.
NOTE 2 n (633 nm) = 1,000 276 5, n (532 nm) = 1,000 278 2, n (1 530 nm) = 1,000 273 3.
nor nor nor
— Si le degré d’incertitude acceptable lors du mesurage de la longueur d’onde (ou de la fréquence) du laser,
–4
à savoir U /λ = U /ν , est supérieur à 10 , les conditions ambiantes ne doivent pas être explicitement
λ m v m
prises en compte.
— Si le degré d’incertitude acceptable lors du mesurage de la longueur d’onde (ou de la fréquence) du laser,
–4
à savoir U /λ = U /ν , est inférieur ou égal à 10 , les résultats des mesurages doivent être corrigés en
λ m v m
utilisant la formule suivante (voir Référence [4] en Bibliographie):
−5
1,04063221× 0 p
−10
nn−11=− × ×+11ε ×+ x −−×f 3,,73450−×04011000nm/λ ×10
() () () () ()
air nor
10+×,0036610 T
où
n représente l’indice de réfraction dans l’air;
air
n représente l’indice de réfraction dans l’air sec et dans des conditions normales, voir ci-dessus, pour
std
le mesurage de la longueur d’onde;
T est la température en °C;
f est la pression partielle de vapeur d’eau en Pa;
1) L'utilisation de ppm est déconseillée. 1 ppm = 1 μl/l.
p est la pression atmosphérique totale en Pa.
et les termes correctifs sont définis comme suit:
−8
1 + ε est le terme de correction d’ordre supérieur, p et T, et 1 + ε = 1 + 10 × p × (0,601 − 0,009 72 × T);
1 + x est un terme tenant compte des écarts de la fraction volumique de CO , φ , par rapport à 450
2 CO2
−6
× 10 [450 ppm], et 1 + x = 1 + 0,54 × (φ − 0,000 45).
CO2
Les deux termes de correction peuvent être considérés comme étant égaux à 1, lorsque le degré d’incertitude
–6
acceptable est supérieur à 10 , pour la longueur d’onde U /λ .
λ m
φ est la concentration en volume de CO dans l’air.
CO2 2
−7
NOTE 3 L’indice de réfraction n est modifié d’environ 1 × 10 par chacun des changements suivants affectant les
air
−6
conditions ambiantes: température: ΔT = 0,1 °C; pression: Δp = 30 Pa (ou 0,3 mbar); teneur en CO : Δφ = 600 × 10
2 CO2
[600 ppm]; humidité: Δf = 250 Pa.
NOTE 4 Les équations ci-dessus supposent une composition normale de l’atmosphère. Un appareillage confiné peut
–7
contenir des vapeurs d’huiles ou de solvants susceptibles de modifier l’indice de réfraction de 1 × 10 ou davantage.
Notamment dans le proche infrarouge, les bords des raies d’absorption dans l’infrarouge de la vapeur d’eau, du CO ou
d’autres gaz peuvent mériter d’être pris en considération.
L’Annexe A fournit de plus amples détails.
Si le degré d’incertitude acceptable lors du mesurage de la longueur d’onde (ou de la fréquence) du laser, à
–7
savoir U /λ = U /ν , est inférieur à 10 , les mesurages des longueurs d’onde doivent être effectués dans le
λ m v m
vide ou par des mesures de fréquences avec utilisation de méthodes hétérodynes.
6.5 Mesurages à faible résolution
6.5.1 Principe
Pour les sources dont les caractéristiques sont inconnues, un mesurage préliminaire à faible résolution
du barycentre de la longueur d’onde et de la largeur spectrale de rayonnement doit être réalisé afin de
déterminer l’appareillage requis.
Pour les besoins de cet essai, un monochromateur à réseau de format modéré (distance focale de l’ordre de
30 cm) est convenable. Un instrument unique peut être utilisé pour toutes les sortes de dispositifs laser,
mais le choix de certains composants et accessoires doit être effectué en fonction du domaine spectral du
rayonnement laser.
Les aspects du choix de l’instrument et des accessoires sont exposés dans l’Annexe B informative.
6.5.2 Procédure de mesure
Le faisceau laser qui doit être mesuré ou la fraction de ce faisceau obtenu à partir d’un séparateur de faisceaux
approprié doit être dirigé vers l’entrée de l’instrument, par exemple la fente d’entrée du monochromateur. Il
convient d’adapter le rapport d’ouverture de l’appareillage au faisceau au moyen d’un bloc optique adéquat.
Cela requiert généralement de focaliser le faisceau laser. Il convient de rappeler que l’instrument, par
exemple les lèvres de la fente d’entrée, peut être endommagé en cas de densité de puissance trop élevée, ce
qui autorise alors l’utilisation d’atténuateurs, le cas échéant.
La valeur de la largeur spectrale efficace de l’instrument, Δλ , doit être vérifiée en utilisant, en tant que
ins
référence, le faisceau d’un laser à largeur de raie étroite, lequel doit être réglé de manière à former un
faisceau qui en reprend presque à l’identique la forme géométrique. Pour les besoins de cet essai, le laser
à largeur de raie étroite peut correspondre à tout dispositif laser connu pour émettre un faisceau dont la
fluctuation et la dérive en largeur spectrale et en longueur d’onde est au moins 10 fois inférieure à la valeur
requise pour Δλ (voir 6.5.3). Dans plusieurs cas, un laser non stabilisé à hélium-néon (He-Ne) de 633 nm
ins
convient parfaitement.
ISO 13695:
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
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