ISO 13695:2004
(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
ISO 13695:2004 specifies methods by which the spectral characteristics such as wavelength, bandwidth, spectral distribution and wavelength stability of a laser beam can be measured. ISO 13695:2004 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
L'ISO 13695:2005 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. La présente Norme internationale 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 ISO
STANDARD 13695
First edition
2004-06-01
Optics and photonics — Lasers 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 2004
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Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope. 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions. 1
4 Symbols and abbreviated terms. 8
5 Traceability . 9
6 Measurement of wavelength and bandwidth . 9
6.1 General. 9
6.2 Types of measurements. 10
6.3 Equipment selection . 11
6.4 Measurements in air . 11
6.5 Measurements at low resolution . 12
6.6 Measurement at higher resolution . 14
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. 18
Annex A (informative) Refractive index of air. 20
Annex B (informative) Criteria for the choice of a grating monochromator and its accessories —
Calibration. 21
Annex C (informative) Criteria for the choice of a Fabry-Perot interferometer. 24
Bibliography . 25
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 13695 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee SC 9,
Electro-optical systems.
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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 International Standard 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.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 13695:2004(E)
Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment —
Test methods for the spectral characteristics of lasers
1 Scope
This International Standard specifies methods by which the spectral characteristics such as wavelength,
bandwidth, spectral distribution and wavelength stability of a laser beam can be measured. This International
Standard 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 optical instruments — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and symbols
ISO 12005, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam parameters — Polarization
IEC 60747-5-1, Discrete semiconductor devices and integrated circuits — Part 5-1: Optoelectronic devices —
General
1) 2) 3) 4)
Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM), BIPM , IEC, IFCC , ISO, IUPAC , IUPAP ,
5)
OIML , 1993, corrected and reprinted in 1995
International vocabulary of basic and general terms in metrology (VIM). BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP,
OIML, Geneva, ISO
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in the VIM, ISO 11145 and IEC 60747-5-1,
and the following apply.
3.1
wavelength in vacuum
λ
wavelength of an infinite, plane electromagnetic wave propagating in vacuum
NOTE For a wave of frequency f, the wavelength in vacuum is then given by λ = c/f, where c = 299 792 458 m/s.
1) International Bureau of Weights and Measures (Bureau International des Poids et Measures).
2) International Federation of Clinical Chemistry and Laboratory Medicine.
3) International Union of Pure and Applied Chemistry.
4) International Union of Pure and Applied Physics.
5) International Organization of Legal Metrology (Organization International de Metrologie Legale).
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 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. These can be
air
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 For the purpose of this International Standard, 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 =
() ()
λ λ
dλ dλ
NOTE The radiant power (energy) delivered by the laser beam in any bandwidth λ to λ is then given by the
low high
integral:
λλ
high high
PP==()λ dλλQ Q ( ) dλ
λλ
∫∫
λλ
low low
3.5
peak-emission wavelength
λ
p
wavelength at which the spectral radiant power (energy) distribution has its maximum value
See Figure 1.
2 © ISO 2004 – All rights reserved
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
λ S()λλd
∫
λ
min
λ =
g
λ
max
S()λ dλ
∫
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
See Figure 1.
NOTE For choosing of the integration limits λ and λ , see 6.2.2.
min max
3.7
central wavelength
λ
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 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 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 The average optical emission frequency f can be measured directly, e.g. by the heterodyne measurement
av
method (see 6.6.5).
3.9
RMS spectral radiation bandwidth (second moment)
∆λ
second moment of the spectral radiant power (energy) distribution, as defined by:
λ
max
()λ −λλS()dλ
g
∫
λ
min
∆=λ
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
See Figure 1.
NOTE For choosing of the integration limits λ and λ see 6.2.2.
min max
3.10
RMS spectral bandwidth
∆λ
rms
rms bandwidth is defined by:
ii=
max
I()λλ−
∑ ii
ii=
min
∆=λ
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
λ is the central wavelength;
i , i denote extreme spectral lines or modes below and above λ
min max p
See Figure 1.
NOTE 1 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 2 This definition is particularly useful in the case of a multi-mode laser.
4 © ISO 2004 – All rights reserved
3.11
spectral bandwidth
FWHM
∆λ
H
maximum difference between the wavelengths for which the spectral radiant power (energy) distribution is half
of its peak value
See Figure 1.
NOTE Adapted from ISO 11145.
3.12
spectral linewidth
FWHM
∆λ
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
See Figure 1.
cf. spectral bandwidth (3.11), ∆λ
H
NOTE 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
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 ∆λ
rms
3.15
side-mode suppression ratio
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
SMS = 10lg
I
s
See Figure 2.
NOTE In practice the SMS can be assumed to be equal to the ratio of the peak values of the spectral distribution for
the most intense and second most intense modes:
S λ
( )
p
SMS = 10lg
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
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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()
2
στ(2, ) =
y
where
denotes the average over an infinite set of data;
yk is the kth measurement of y in this set of data;
()
y is obtained by averaging y(t) over a time interval τ
NOTE 1 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 y may be derived from heterodyne measurements where a frequency difference ∆ν is integrated over an
interval τ and normalized to the oscillation frequency ν .
NOTE 3 Since y = ∆ν/ν = −∆λ/λ, σ (2,τ) is at the same time a measure of the frequency stability and of the
y
wavelength stability.
NOTE 4 For further details see reference [1] in the Bibliography.
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 Usually, over the wavelength range of the instrument, R(λ,λ ) is nearly independent of the input wavelength λ ,
0 0
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
λ R(,λλ ) dλ
∫
λ
min
λ =
g
λ
max
R(,λλλ) d
∫
λ
min
should be equal to the input wavelength: λ = λ .
g 0
3.21
instrumental effective spectral bandwidth
∆λ (λ )
ins 0
second moment of the instrumental response function R(λ,λ ), as defined by:
λ
max
()λ −λλR(,λ) dλ
g 0
∫
λ
min
∆λ ()λ =
ins 0
λ
max
R(,λλ ) dλ
∫
λ
min
NOTE If, as usually assumed, R(λ,λ ) and therefore ∆λ (λ ) are approximately independent of the input wavelength
0 ins 0
λ , the effective bandwidth ∆λ 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
Q W⋅s/m spectral radiant energy distribution
λ
R λ,λ 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
SMS dB side-mode suppression ratio
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
λ m central wavelength
∆λ m rms spectral radiation bandwidth (second moment)
∆λ m spectral bandwidth (FWHM)
H
∆λ m instrumental effective spectral bandwidth
ins
∆λ m spectral linewidth (FWHM)
L
∆λ m measured spectral radiation bandwidth (second moment)
meas
∆λ m rms spectral bandwidth
rms
v Hz frequency of the wave
ν Hz free spectral range (FSR) of the Fabry-Perot (FP) interferometer
FSR
σ 2,τ
() Allan variance characterizing the wavelength stability of a cw laser
Y
τ s pulse duration
H
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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 reference [2] in the Bibliography.
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 GUM) in the measurement of wavelength (or frequency) of the laser,
λ ν
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 International Standard 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
∆λ or spectral bandwidth (FWHM) ∆λ ; 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 root mean square spectral bandwidth ∆λ , the mode spacing F
rms msp
(frequency domain) or S (wavelength domain), the number of longitudinal modes within a specified
msp
bandwidth N ; the dependence of the wavelength, δλ and/or δλ , on the operating parameters,
m T c
temperature and/or injection current;
for a single frequency laser:
the peak wavelength λ or average wavelength λ and the spectral linewidth ∆λ and side mode
p av L
suppression SMS; the dependence of the wavelength, δλ and/or δλ , on the operating parameters,
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, ∆λ, 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 ,
p
which in turn affects the integration limits. Care should be taken to ensure that the calculated value of λ is not
g
significantly influenced by this.
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 and
msp m
the side-mode suppression SMS can be assessed. The central wavelength λ , the rms spectral bandwidth
∆λ should be determined. The wavelength stability as a function of the operating parameters, i.e. δλ
rms T
and/or δλ , should be measured.
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 SMS has to be determined.
The peak wavelength λ or average wavelength λ and the spectral linewidth ∆λ , 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
10 © ISO 2004 – All rights reserved
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/∆λ 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 and
FSR
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 conditions,
−6 6)
at a temperature of 15 °C, a pressure of 101 325 Pa, a CO volume fraction of 450 × 10 [450 ppm ] and
0 % humidity, the refractive index of air may be calculated using an updated Edlén-Equation (see reference [3]
in the Bibliography):
2 406 147 15 998
(n −×1) 10 = 8 342,54+ +
std
130−−(1000nm / λ) 38,9 (1000nm / 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,
−4
U /λ = U /ν is larger than 10 , the atmospheric conditions need not be taken into account explicitly.
λ m v m
6) The use of ppm is deprecated.
If the accepted level of uncertainty in the measurement of wavelength (or frequency) of the
−4
U /λ = U /ν is less than or equal to 10 , measurement results shall be corrected by the following
λ m v m
formula (see reference [3] in the Bibliography):
−5
1,040 632 2×10 p
21−0
(nn−1)= ( −1)× ×+(1ελ)×+(1x)−×f 3,734 5− 0,040 1×(1000nm / ) ×10
air std
1+×0,003 6610 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
std
wavelength;
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:
−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],
2 CO
and 1 + x = 1 + 0,54 × (ϕ − 0,000 45).
CO
Both correction terms may be tak
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 13695
Première édition
2004-06-01
Optique et photonique — Lasers 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
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Version française parue en 2005
Publié en Suisse
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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
4 Symboles (et abréviations) . 9
5 Traçabilité. 10
6 Mesurage de longueur d’onde et de bandes spectrales. 10
6.1 Généralités. 10
6.2 Types de mesurages. 11
6.3 Choix de l’équipement. 12
6.4 Mesurages dans l’air. 12
6.5 Mesurages à faible résolution . 14
6.6 Mesurage à plus haute résolution. 15
7 Mesurage de la stabilité en longueur d’onde.19
7.1 Dépendance de la longueur d’onde aux conditions de fonctionnement . 19
7.2 Stabilité en longueur d’onde d’un laser monofréquence . 19
8 Rapport d’essai. 19
Annexe A (informative) Indice de réfraction de l'air. 22
Annexe B (informative) Critères pour le choix d'un monochromateur à réseau et ses
accessoires — Étalonnage. 23
Annexe C (informative) Critères pour le choix d'un interféromètre de Fabry-Pérot. 26
Bibliographie . 27
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 13695 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-comité SC 9,
Systèmes électro-optiques.
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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. A 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.
NORME INTERNATIONALE ISO 13695:2004(F)
Optique et photonique — Lasers et équipement associé aux
lasers — Méthodes d'essai des caractéristiques spectrales des
lasers
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale 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. La présente Norme internationale 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 de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 11145, Optique et instruments d'optique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et
symboles
ISO 12005, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai des paramètres des faisceaux
laser — Polarisation
CEI 60747-5-1, Dispositifs discrets à semi-conducteurs et circuits intégrés — Partie 5-1: Dispositifs
optoélectroniques — Généralités
1) 2) 3) 4)
Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure (GUM). BIPM , CEI, FICC , ISO, OIML , UICPA ,
5)
UIPPA , 1995
Vocabulaire international des termes fondamentaux et généraux de métrologie (VIM). BIPM, CEI, FICC, ISO,
OIML, UICPA, UIPPA; Genève, ISO, 1993
3 Termes et définitions
Pour les besoins de la présente Norme internationale, les termes et définitions données dans le VIM, de
l’ISO 11145 et de la CEI 60747-5-1, ainsi que les suivants, s’appliquent.
1) Bureau International des Poids et Mesures
2) Fédération Internationale de Chimie Clinique
3) Organisation Internationale de Métrologie Légale
4) Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée
5) Union Internationale de Physique Pure et Appliquée
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 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:
λλ= / n
air 0 air
où n représente l’indice de réfraction de l’air ambiant (voir 6.4)
air
NOTE 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 longueur d’onde
air
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
λλ= / n
nor 0 nor
où n représente l’indice de réfraction de l’air dans des conditions normales (voir 6.4)
nor
NOTE Pour les besoins de la présente Norme internationale, 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 de laser impulsionnel], transmise
par le faisceau laser dans le domaine élémentaire de la longueur d’onde dλ, à ce domaine
dP λ dQ()λ
( )
Q λ =
P ()λ = ()
λ λ
dλ dλ
NOTE La puissance (énergie) rayonnante émise par le faisceau laser, quelle que soit la largeur spectrale λ à
basse
λ , est donc donnée par l’intégrale.
haute
λ λ
haute haute
PP= ()λ dλ QQ= ()λ dλ
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
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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
λ Sλλd
()
∫
λ
min
λ =
g
λ
max
S λ dλ
()
∫
λ
min
où S(h) 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
Voir Figure 1.
NOTE 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
I λ
∑ 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 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 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 La fréquence d’émission optique moyenne f peut être directement mesurée, par exemple par la méthode
moy
de mesurage hétérodyne (voir 6.6.5).
3.9
largeur spectrale quadratique moyenne de rayonnement (moment de second ordre)
∆λ
moment de second ordre de la distribution spectrale de puissance (énergie) rayonnante, tel que défini par
λ
max
()λ −λλS()dλ
g
∫
λ
min
∆=λ
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
Voir Figure 1.
NOTE Pour le choix des limites d’intégration λ et λ voir 6.2.2.
min max
3.10
largeur spectrale quadratique moyenne
∆λ
rms
largeur de bande quadratique moyenne, définie par
ii=
max
Iλλ−
()
∑ ii
ii=
min
∆=λ
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
λ est la longueur d’onde centrale;
i , i représentent les valeurs extrêmes des raies ou modes spectraux en dessous et au-dessus
min max
de λ .
p
Voir Figure 1.
NOTE 1 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 2 Cette définition est particulièrement utile dans le cas de laser multimode.
3.11
largeur spectrale
FWHM
∆λ
H
différence maximale entre les longueurs d’onde pour lesquelles la distribution spectrale de puissance
(énergie) rayonnante atteint la moitié de sa valeur crête
Voir Figure 1.
NOTE Définition adaptée de l’ISO 11145.
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3.12
largeur de raie spectrale
FWHM
∆λ
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
Voir Figure 1.
cf. largeur spectrale (3.11), ∆λ
H
NOTE 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 ) ou en longueur d’onde
msp
(S )
msp
Voir Figure 1.
Légende
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 ∆λ
rms
3.15
rapport de suppression de mode latéral
SMS
rapport de la puissance rayonnante relative du mode dont l’intensité est la plus élevée I , à λ , à la puissance
p p
rayonnante relative du deuxième mode le plus intense, I , situé à λ :
s s
I
p
SMS = 10 log
I
s
Voir Figure 2.
NOTE Dans la pratique, le rapport SMS peut être supposé égal au rapport des valeurs aux sommets de la distribution
spectrale pour le mode le plus intense et le deuxième mode le plus intense:
S λ
()
p
SMS = 10 log
S λ
()
s
Légende
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
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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. Elle
est définie par
yk+−1 y k
() ()
στ2, =
()
y
où
〈 〉 représente la valeur moyenne sur un ensemble infini de données;
ième
yk() est la k mesure de y sur cet ensemble de données;
est obtenue en moyennant y(t) sur un intervalle de temps τ.
y
NOTE 1 Pour les mesures de fréquence, l’écart fractionnaire y(t) est donné par
yt()=−ν()t νν/
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 y peut être dérivé des mesures hétérodynes effectuées sur la base d’une différence en fréquence ∆ν
intégrée sur un intervalle de temps τ et normalisée par rapport à la fréquence d’oscillation ν .
NOTE 3 Puisque y = ∆ν/ν = –∆λ/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 Pour plus de détails, voir la Référence [1] dans la 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 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
λ R λλ,dλ
()
∫
λ
min
λ =
g
λ
max
R λ,dλλ
()
∫
λ
min
soit égal à la longueur d’onde du signal d’entrée, λ = λ .
g 0
3.21
largeur spectrale efficace instrumentale
∆λ (λ )
ins 0
moment de second ordre de la fonction de réponse instrumentale R(λ,λ ), tel que défini par
λ
max
λ −λλR , dλ λ
() ()
g0
∫
λ
min
∆=λλ
()
ins 0
λ
max
R λλ,dλ
()
∫
λ
min
NOTE Si R(λ,λ ), et donc ∆λ (λ ), telles que généralement supposées, sont quasi indépendantes de la longueur
0 ins 0
d’onde du signal d’entrée λ , la largeur spectrale efficace ∆λ est utilisée sans argument.
0 ins
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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
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
λ
S(λ)
de l’énergie de rayonnement spectral Q (λ) dans le cas d’un laser impulsionnel
λ
SMS dB rapport de suppression de mode latéral
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 (maximale) au sommet de l’émission
p
λ m longueur d’onde dans l’air sec et dans des conditions normales
nor
λ m longueur d’onde centrale
∆λ m largeur spectrale quadratique moyenne de rayonnement (moment de second ordre)
∆λ m largeur spectrale à mi-hauteur (FWHM)
H
∆λ m largeur spectrale efficace instrumentale
ins
∆λ m largeur de raie spectrale rms (moment de second ordre)
L
∆λ m largeur spectrale mesurée de rayonnement (moment de second ordre)
mes
∆λ 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 référence [2] dans la 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 le GUM) lors du mesurage de la longueur d’onde (ou de la
λ ν
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.
La présente Norme internationale 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) ∆λ ou la largeur spectrale (FWHM) ∆λ ; 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 centrale λ , la largeur spectrale quadratique moyenne ∆λ , 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;
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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 av
la largeur de raie spectrale ∆λ et le rapport de suppression de mode latéral SMS; la dépendance de la
L
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 ∆λ.
g
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 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 à son
p
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 de U /λ = U /ν de l’ordre de 10 à 10 . Cela s’applique
λ ν
aux 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 SMS. Il convient de déterminer la longueur d’onde centrale λ et la largeur de bande quadratique
moyenne de rayonnement ∆λ . 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
λ ν
mode 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 SMS doit être déterminé.
Il convient de définir la longueur d’onde au sommet de l’émission λ ou la longueur d’onde moyenne λ ainsi
p av
que la largeur de raie spectrale ∆λ et la dépendance par rapport aux conditions de fonctionnement δλ et/ou
L T
δλ ; de même, il y a lieu de mesurer la variance d’Allan σ (2,τ ) permettant de déterminer la stabilité en
c y
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 résolution
5 6
R = λ/∆λ 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 durée
FSR
d’impulsion minimale est F/ν . Pour un interféromètre à deux longueurs d’onde avec une différence de
FSR
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 la
air
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,
–6 6)
dans 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 [3] dans la Bibliographie):
2 406 147 15 998
(n −×1) 10 = 8 342,54+ +
nor
130−−(1000nm / λ) 38,9 (1000nm / λ)
6) L'utilisation des ppm est à éviter.
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–7
NOTE 1 L’exactitude de la formule ci-dessus est de l’ordre de 1 × 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 doivent être explicitement prises
λ m ν m
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 ν m
utilisant la formule suivante (voir [3] dans la Bibliographie):
−5
1,040 632 2 ×10 p
21−0
(nn−1)= ( −1)× ×+(1ελ)×+(1x)−f× 3,734 5− 0,040 1× (1000nm/ ) ×10
air nor
1+×0,003 6610 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
nor
le mesurage de la longueur d’onde;
T est la température en °C;
f est la pression partielle de vapeur d’eau en Pa;
p est la pression atmosphérique totale en Pa.
et les termes correctifs sont définis comme suit:
–8
1 + ε est le terme, p et T, de correction d’ordre supérieur, et 1 + ε = 1 + 10 × p × (0,601 – 0,009 72 × T);
1 + x est le terme prenant en considération les écarts concernant la teneur en CO , ϕ , par rapport
2 CO
–6
à la valeur de 450 × 10 [450 ppm], et 1 + x = 1 + 0,54 × (ϕ – 0,000 45).
CO
Les deux termes de correction peuvent être considérés comme étant égaux à 1, lorsque le degré
–6
d’incertitude 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.
CO
–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: ∆T = 0,1 °C; pression: ∆p = 30 Pa (ou 0,3 mbar); teneur en CO : ∆ϕ = 600 × 10
CO
[600 ppm]; humidité: ∆f = 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 ν 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 y a lieu 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, ∆λ , 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 ∆λ (voir 6.5.3). Dans plusieurs cas, un laser non stabilisé à hélium-néon (He-Ne) de 633 nm
ins
convient parfaitement.
Lorsque l’instrument est balayé sur la gamme de longueurs d’onde étudiée, il convient d’adapter le pas de
progression spectrale à la résolution requise. La constante de temps de l’enregistreur doit être nettement
inférieure au temps qu’il prend pour balayer la moitié de la largeur de la raie. Par exemple, un facteur de dix
entre les deux temps conduit pourtant à un décalage du dixième de la largeur de raie.
La gamme dynamique du détecteur doit être suffisamment large pour que les mesures d’intensité couvrent au
moins deux décades.
6.5.3 Analyse
Il convient que le mode opératoire décrit ci dessus pour les mesurages permette d’observer la distribution
spectrale de puissance (énergie) rayonnante apparente P (λ) ou Q (λ) respectivement. Le cas échéant,
λ λ
corriger la sensitivité spectrale de l’instrument, du détecteur et des optiques.
a) Appliquer n’importe quelle correction à l’échelle de longueurs d’onde et calculer le moment de premier
ordre de la distribution spectrale de puissance (énergie) rayonnante mesurée, c’est-à-dire le barycentre
de la longueur d’onde λ de la distribution spectrale de puissance (énergie) rayonnante.
g
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
14 © ISO 2004 – Tous droits réservés
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 à son tour sur les limites d’intégration. Il convient de veiller à ce que
p
cela n’affecte pas de manière significative la valeur calculée de λ .
g
b) Calculer le moment de second ordre de la distribution spectrale de puissance (énergie) rayonnante
mesurée: ∆λ , voir 3.9.
mes
c) Consigner les résultats sur la fiche technique du rapport d’essai.
d) Comparer le moment de second ordre, ∆λ , avec la largeur de bande instrumentale ∆λ .
mes ins
Si le moment de second ordre obtenu est supérieur à 10 fois la largeur de bande instrumentale,
aucun mesurage supplémentaire n’est requis et ∆λ = ∆λ .
ins
Si la valeur obtenue de ∆λ se situe entre deux et 10 fois la largeur de bande instrumentale ∆λ ,
mes ins
spécifier dans le rapport d’essai la largeur spectrale corrigée, calculée d’après
∆=λλ∆ − ∆λ ou obtenue par une procédure de déconvolution.
() ( )
mes ins
Si le moment de second ordre obtenu se révèle inférieur à deux fois la largeur de bande
instrumentale, un instrument disposant d’un pouvoir de résolution plus élevé doit être choisi afin
d’aller encore plus loin dans la détermination des caractéristiques spectrales du faisceau laser.
6.6 Mesurage à plus haute résolution
6.6.1 Généralités
Il convient d’effectuer tous les mesurages destinés à l’évaluation des caractéristiques spectrales d’un laser
−5
avec une incertitude U /λ = U /ν < 10 dans un environnement mécanique et thermique stable.
λ ν
6.6.2 Essai préliminaire
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.
Le choix de l’équipement devant permettre de caractériser la source dépend des propriétés suivantes:
a) des modes d’oscillation prévus;
b) du caractère continu ou impulsionnel du dispositif: dans ce dernier cas, la durée d’impulsion τ doit être
H
prise en considération;
c) des caractéristiques spectrales qui doivent être mesurées: longueur d’onde ou distribution spectrale de
puissance (énergie) rayonnante.
6.6.3 Mesurage mettant en œuvre un spectromètre à réseau
Dans cette opération, un réseau à pouvoir de résolution élevé est préférable dans la plupart des cas, dans la
mesure où il convient au mesurage de la longueur d’onde ainsi que des largeurs spectrales. En cas
d’utilisation d’un spectromètre à réseau, le mode opératoire est identique à celui décrit en 6.5.2.
6.6.4 Mesurage mettant en œuvre un interféromètre
Un interféromètre de Fizeau (coin photométrique), ou de préférence un jeu d’interféro
...
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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