ГОСТ 26086-84

ЛАЗЕРЫ

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА ПУЧКА
И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ РАСХОДИМОСТИ
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ИПК ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ

Москва

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

Дата введения 01.07.85

Настоящий стандартраспространяется на лазеры непрерывного и импульсного режимов работы и устанавливаетметоды измерения:

- диаметра пучка излучения:

- метод калиброванныхдиафрагм;

- метод распределенияплотности энергии (мощности) лазерного излучения;

- энергетическойрасходимости лазерного излучения:

- метод фокального пятна;

- метод двух сечений.

Общие требования приизмерении и требования безопасности - по ГОСТ 24714.

1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА ПУЧКА ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1.Метод калиброванных диафрагм

Измерение основано на определениидиаметра диафрагмы, через которую проходит заданная доля энергии (мощности)лазерного излучения.

1.1.1. Аппаратура

1.1.1.1. Схема расположениясредств измерений и вспомогательных устройств приведена на черт. 1.

1 - лазер; 2- ослабитель; 3 - ответвитель; 4, 7 - оптическая система; 5, 8 - средства измерения энергии (мощности) лазерного излучения; 6- калиброванная диафрагма; 9 - средство юстировки; 10 - устройстводля измерения диаметра пучка излучения

Черт. 1

1.1.1.2. Переченьрекомендуемых средств измерений и вспомогательных устройств приведен в приложении 1.

1.1.1.3. Ослабитель долженобеспечивать значение энергии (мощности) лазерного излучения в пределахэнергетического диапазона применяемого средства измерения энергии (мощности)Погрешность, вносимая ослабителем, должна быть в пределах ± 5 %.

Если энергия (мощность)лазерного излучения не превышает верхнего предела измерителя, допускается неиспользовать ослабитель 2.

(Измененная редакция, Изм. №1).

1.1.1.4. Ответвитель долженобеспечивать разделение пучка излучения с погрешностью в пределах ± 3 %.

1.1.1.5. Диафрагма,устанавливаемая перпендикулярно направлению распространения пучка лазерногоизлучения, должна обеспечивать:

- пропускание энергии(мощности) лазерного излучения от z₁ до 0,7γ_Hz₁, где z₁ - полная энергия (мощность)лазерного излучения, γ_H - установленный встандартах или технических условиях (ТУ) на лазеры конкретных типов уровеньэнергии (мощности) лазерного излучения, при котором определяется диаметр пучка;

- плавное или ступенчатоеизменение диаметра поперечного сечения пучка лазерного излучения, попадающегона средство измерения энергии (мощности) 8, с шагом не более 0,2d, где d- диаметрпучка излучения, указанный в стандартах или ТУ на лазеры конкретных типов.

Погрешность определениядиаметра отверстия диафрагмы D должна быть в пределах ± 3 %.

Допускается использоватьнабор сменных калиброванных диафрагм.

(Измененная редакция, Изм. №1).

1.1.1.6. Оптическая система,должна обеспечивать согласование диаметра пучка лазерного излучения с размеромвходной апертуры средства измерения энергии (мощности). Погрешность, вносимая оптическойсистемой, должна быть в пределах ± 3 %. Если диаметр поперечногосечения лазерного пучка находится в пределах, установленных для применяемогосредства измерения, оптическую систему допускается не применять.

1.1.1.7.Средство измерения энергии лазерного излучения должно соответствоватьтребованиям ГОСТ 25212, средство измерения мощности лазерного излучения -ГОСТ 25786.

1.1.1.8. Средство юстировкидолжно обеспечивать попадание лазерного излучения в центральную часть приемныхплощадок средств измерений и вспомогательных устройств. В качестве средствюстировки рекомендуется применять визуализаторы, газовые лазеры непрерывногорежима работы в видимой области спектра с расходимостью не более 10’ или другиеустройства.

1.1.1.9.Если относительная нестабильность энергии (мощности) лазерного излучения завремя измерения не превышает 5 %, допускается не вводить в схему измеренияответвитель, оптическую систему 4 и средство измерения энергии(мощности) 5.

1.1.2. Подготовка и проведение измерений

1.1.2.1. Устанавливаютсредства измерений и вспомогательные устройства и подготавливают их к работе всоответствии с эксплуатационной документацией на них.

1.1.2.2. Включают лазер ипрогревают в течение времени готовности, установленного в стандарте или ТУ на лазерконкретного типа.

1.1.2.3. Проводят юстировку,добиваясь попадания пучка лазерного излучения в центральную часть диафрагмы,приемных площадок ослабителя, ответвителя, оптической системы и средствизмерения энергии (мощности) лазерного излучения.

1.1.2.4. Устанавливаютдиаметр диафрагмы D₁, при котором черездиафрагму проходит полная энергия (мощность) излучения z₁.

1.1.2.5.Измеряют энергию (мощность) лазерного излучения z₁ и z'₁ средствами измерения 8 и 5 соответственно.

1.1.2.6. Уменьшая диаметрдиафрагмы, определяют z_i иz'_i где i = 2, 3, ... п.Измерения проводят не менее чем при пяти различных диаметрах диафрагмы, еслииное не установлено в стандартах или ТУ на лазеры конкретных типов.

1.1.3. Обработкарезультатов

1.1.3.1. Для каждого i-гозначения диаметра диафрагмы D_iвычисляют соотношение

,                                                                (1)

где    α - коэффициент, определяемый в соответствии с приложением 2;

i = 1, 2, ... п.

1.1.3.2.Полученные данные аппроксимируют зависимостью γ = F(D) и определяют диаметр диафрагмы, соответствующий уровню энергии γ_H, указанному в стандартах или ТУ на лазеры конкретных типов.

Найденный диаметр диафрагмыпринимают за диаметр пучка лазерного излучения.

1.1.3.3. При измерении посхеме с учетом требований п. 1.1.1.9 γ_i вычисляют по формуле

.                                                               (2)

1.1.3.4. Обработкурезультатов измерений можно проводить с использованием ЭВМ. Алгоритм обработкиприведен в приложении4.

1.1.4. Показателиточности измерения

Погрешность измерениядиаметра пучка находится в интервале ± 24 % с установленной вероятностью 0,95.Расчет погрешности измерения приведен в приложении 3.

1.2.Метод распределения плотности энергии (мощности)

1.2.1. Измерение основано наопределении диаметра круга, в котором заключена заданная доля энергии(мощности) лазерного излучения. Центр этого круга должен соответствовать точкесечения пучка лазерного излучения, совпадающей с энергетическим центромотносительного распределения плотности энергии (мощности) ОРПЭ (М)*.

* Под энергетическим центром ОРПЭ (М) понимают точку в плоскости сеченияпучка лазерного излучения, являющуюся центром тяжести распределения плотностиэнергии (мощности) в соответствующем сечении.

1.2.2.Измеряют ОРПЭ (М) по ГОСТ 25917.

1.2.3. Обработкарезультатов. Показатели точности измерения

1.2.3.1.Строят матрицу значений относительной плотности энергии (мощности) β_klв различных точках сечения лазерного пучка, где k, l-координаты точки сечения.

1.2.3.2.Полную энергию (мощность) лазерного излучения z₁ вычисляют по формуле

,                                                    (3)

где        ,  - равномерный шагмежду соседними точками ОРПЭ (М), в которых определена β_klпо соответствующим осям координат;

М, N - количество точек в сечениипучка по строке и столбцу матрицы значений соответственно.

1.2.3.3. Координатыэнергетического центра О (x₀, y₀) ОРПЭ (М) (см. черт. 2)вычисляют по формулам:

,                                                       (4)

.                                                      (5)

Изображение матрицы значенийβ_kl

Черт. 2

1.2.3.4. Диаметр D₁ окружности, в которуюполностью вписывается матрица значений β_kl, вычисляют по формуле

D₁ =                                         (6)

где  и  - координаты наиболееудаленного от энергетического центра элемента матрицы.

1.2.3.5. Уменьшают диаметр D_i (где i - 1, 2, 3 ...) такимобразом, чтобы окружность с центром в точке О (x₀, y₀) охватывала хотя бы на однуизмеренную точку меньше, чем окружность диаметром D_i-1

1.2.3.6. Определяют энергию(мощность) z лазерного излучения, заключенную в круге диаметром D, аналогично п. 1.2.3.2.

1.2.3.7. Для каждого i-гозначения диаметра D_iвычисляют отношение γ_i по формуле

                                                          (7)

1.2.3.8. Определяют диаметрпучка аналогично п. 1.1.3.2.

1.2.3.9. Обработкурезультатов целесообразно проводить с использованием ЭВМ. Алгоритм определениядиаметра пучка приведен в приложении 4.

При радиальной структурематрицы значений все приведенные в приложении 4 формулы следуетпреобразовать в полярные координаты (r_k,φ₁).

1.2.3.10.Погрешность измерения диаметра пучка лазерного излучения находится в интервале± 25 % с установленной вероятностью 0,95. Расчет погрешности измерения приведенв приложении3.

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ РАСХОДИМОСТИ ЛАЗЕРНОГОИЗЛУЧЕНИЯ

2.1. Метод фокального пятна

2.1.1. Аппаратура

2.1.1.1. Схемарасположения, средств измерений и вспомогательных устройств приведена на черт. 3.

1 - лазер; 2 - ослабитель; 3 - оптическая система; 4 - устройстводля измерения диаметра пучка излучения; 5- средство юстировки

Черт. 3

2.1.1.2. Ослабитель долженобеспечивать значение энергии (мощности) лазерного излучения в пределах,установленных в эксплуатационной документации на применяемые средства измеренийи вспомогательные устройства.

Погрешность, вносимаяослабителем, должна быть в пределах ± 5 %. Если энергия (мощность) лазерногоизлучения не превышает верхнего предела измерителя, допускается не использоватьослабитель 2.

2.1.1.3.Оптическая система должна фокусировать лазерное излучение. В качествеоптической системы можно использовать линзу, вогнутое зеркало или совокупностьих в сочетании с другими оптическими элементами, например отклоняющейпластиной, оптическим клином.

Входная апертура оптическойсистемы должна превышать более чем на 50 % диаметр пучка лазерного излучения,установленный в стандартах или ТУ на лазеры конкретных типов.

Фокусное расстояниеоптической системы должно быть таким, чтобы плотность энергии (мощности)лазерного излучения в сечении лазерного пучка, расположенного в фокальнойплоскости оптической системы, не превышала предельно допустимого значения длясредств измерения энергии (мощности).

Диаметр сечения пучкаизмеряют с погрешностью, установленной в пп. 1.1.4 и 1.2.3.10.

Погрешность определенияфокусного расстояния оптической системы должна быть в пределах ± 10 %.

Погрешность, обусловленная абберациями,вносимыми оптической системой, должна быть в пределах ± 5 %.

2.1.1.2, 2.1.1.3.(Измененная редакция, Изм. № 1).

2.1.2. Подготовка ипроведение измерений

2.1.2.1. Устанавливаютсредства измерений и вспомогательные устройства и подготавливают их к работе всоответствии с эксплуатационной документацией на них. При этом оптическая осьсредств измерений и вспомогательных устройств должна совпадать с направлениемраспространения лазерного излучения.

В технически обоснованныхслучаях (например, при использовании в качестве оптической системы вогнутогозеркала) допускается устанавливать оптическую систему так, что ее оптическаяось расположена под углом к направлению распространения лазерного излучения,соответствующим установленному в ТУ на лазеры конкретных типов. Погрешность,вносимая оптической системой, не должна превышать указанной в п. 2.1.1.3.

(Измененная редакция, Изм. №1).

2.1.2.2. Измеряют диаметр d_F пучка излучения в фокальнойплоскости оптической системы по пп. 1.1 или 1.2.

2.1.3. Обработкарезультатов

2.1.3.1. Энергетическуюрасходимость лазерного излучения Θ_W(P) врадианах вычисляют по формуле

Θ_W(P) = d_F/F                                                               (8)

2.1.4. Показателиточности измерения

Погрешность измеренияэнергетической расходимости находится в интервале ± 27 % с установленнойвероятностью 0,95.

Расчет погрешности измеренияприведен в приложении3.

(Измененная редакция, Изм. №1).

2.2. Метод двух сечений

2.2.1. Метод применим дляизмерения расходимости пучка лазерного излучения на расстоянии от выходногоокна лазера до 1-го сечения большем d²/λ (где d-диаметр пучка лазерногоизлучения, указанный в стандартах или ТУ на лазеры конкретных типов, λ- длина волны лазерного излучения). Расстояние от выходного окна лазера допервого сечения должно соответствовать установленному в стандартах или ТУ на лазерыконкретных типов.

2.2.2. Измеряют по пп. 1.1или 1.2 диаметры пучка лазерного излучения в двух сечениях,отстоящих друг от друга на расстоянии l, которое выбираютнаибольшим для условий конкретного измерения.

2.2.3. Измеряют расстояниемежду сечениями. Погрешность измерения расстояния должна быть в пределах ± 3 %.

2.2.4. Обработкарезультатов

Энергетическую расходимостьлазерного излучения вычисляют в радианах по формуле

,                                                   (9)

где      d₁ и d₂ - диаметры пучка лазерногоизлучения в первом и втором сечениях соответственно.

2.2.5. Показателиточности измерения

Показатели точностиизмерения энергетической расходимости лазерного излучения должны соответствоватьустановленным в стандартах или ТУ на лазеры конкретных типов.

Границы интервала, в которомс установленной вероятностью 0,95 находится погрешность измерения, вычисляют поформуле

,                                                    (10)

где δ_d - погрешность измерения диаметрапучка лазерного излучения в процентах.

При этом границы интервалапогрешности должны находиться в пределах ± 30 % (см. приложение 3).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Рекомендуемое

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

Ослабители

Отвердители

Примечание. Допускается применять другие средства измерения, метрологическиехарактеристики которых соответствуют требованиям настоящего стандарта.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Обязательное

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА α

1. Схема расположениясредств измерения и вспомогательных устройств и требования к ним должнасоответствовать п.1.1 настоящего стандарта.

2. При измерениикоэффициента α должны быть использованы те же средства измерения ивспомогательные устройства, что и при измерении диаметра пучка методомкалиброванных диафрагм.

3. Проводят10 измерений по п. 1.1.2.5 настоящего стандарта. Результатыизмерений заносят в таблицу.

4. Полученный коэффициент  принимают за α ииспользуют при расчете отношения γ_i по формуле (1) настоящего стандарта

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Справочное

1. РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА ПУЧКАЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1. Погрешность измерения диаметрапучка лазерного излучения методом калиброванных диафрагм вычисляют по формулам:

- при использованииответвителя

;       (1)

- при отсутствии ответвителя

,         (2)

где    δ_си - погрешность средства измерения энергии (мощности)лазерного излучения (находится в пределах ± 18 %);

а - коэффициент, обусловленныйисключением в процессе измерения систематической составляющей погрешностисредства измерения энергии (мощности), так как при измерении z_i и z'_iиспользуется один и тот же экземпляр средства измерения, относительнаяпогрешность которого аддитивна (a £ 0,5);

δ_осл - погрешность, вносимаяослабителем (в пределах ± 5 %);

δ_отв -погрешность, вносимая ответвителем (в пределах ± 3 %);

δ_D1 -погрешность, обусловленная дифракцией лазерного излучения на краях диафрагмы (впределах ± 5 %);

δ_D2 -погрешность измерения диаметра отверстия диафрагмы (в пределах ± 3 %);

δ_нд -погрешность, обусловленная смещением оси диаграммы направленности в плоскостидиафрагмы в процессе измерения (в пределах ± 8 %);

σ_α -относительное среднее квадратическое отклонение определения α (в пределах± 3 %), рассчитывается в соответствии с приложением 2;

δ_апр -погрешность аппроксимации при построении графической зависимости γ =f (D) (впределах ± 3 %);

δ_нм -погрешность, обусловленная нестабильностью энергии (мощности) лазерногоизлучения (в пределах ±5 %);

К_си, К_осл,К_отв, К_D, К_апр, К_нм,К_нд - коэффициенты, зависящие от закона распределениясоответствующих погрешностей измерения и установленной вероятности.

Закон распределения частныхпогрешностей - равномерный. Предельные значения коэффициентов К_си = К_осл= К_отв = К_н = К_{нд =} К_апр = К_нм= 1,73.

Закон распределения суммарнойпогрешности - нормальный, К = 1,96 при вероятности 0,95.

%

%

1.2.Погрешность измерения диаметра пучка лазерного излучения методом распределенияплотности энергии (мощности) вычисляют по формуле

,                                          (3)

где   δ_ОРПЭ(М) - погрешностьизмерения относительного распределения плотности энергии (мощности) лазерногоизлучения (в интервале ± 24 % с установленной вероятностью 0,95);

δ_апр -погрешность аппроксимации при построении зависимости γ = f(D) (в пределах ± 3 %);

К_апр, К_D,К_ОРПЭ(М) - коэффициенты, зависящие от закона распределениясоответствующих погрешностей измерения и установленной вероятности.

В соответствии с ГОСТ 25917закон распределения δ_ОПРЭ(М) - нормальный, К_ОРПЭ(М)= 1,96 для вероятности 0,95.

Закон распределения δ_d -нормальный, K_d = 1,96 для вероятности 0,95.

;

δ_d = ± 25%

2. РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДИМОСТИ ПУЧКАЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1. Погрешность измерения расходимостилазерного излучения методом фокального пятна вычисляют по формуле

,                                   (4)

где δ_d -погрешность измерения диаметра пучка лазерного излучения (в интервале ± 25 % сустановленной вероятностью 0,95);

δ_опт -погрешность, вносимая аберрацией оптической системы (в пределах ± 5 %);

δ_F -погрешность определения фокусного расстояния оптической системы (в пределах ±10 %);

, K_d, K_F, K_опт - коэффициенты, зависящие отзакона распределения соответствующих погрешностей измерения и установленнойвероятности.

Закон распределения и δ_d - нормальный, = К_d = 1,96 для вероятности 0,95.

Закон распределения δ_F,δ_опт - равномерный, предельное значение К_F =K_опт= 1,73.

;

± 27 %

(Измененная редакция, Изм. №1).

2.2. Погрешность измерениярасходимости лазерного излучения методом двух сечений определяют по формуле

,                           (5)

где    δ₁- погрешность измерения расстояния между сечениями (в пределах ± 1 %).

Вторым слагаемым вподкоренном выражении формулы (5) можно пренебречь, так как оно много меньшепервого слагаемого. Учитывая, что K_Θ = K_d, получим

.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Справочное

ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИАМЕТРА ПУЧКА МЕТОДОМКАЛИБРОВАННЫХ ДИАФРАГМ И МЕТОДОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЭНЕРГИИ (МОЩНОСТИ)

1. Блок-схема алгоритмаприведена на чертеже.

В блоках 1-7осуществляется ввод исходной информации.

При вводе исходных данных ипри вычислениях необходимо учитывать, что структура матрицы может бытьпрямоугольной или радиальной.

В блоке 1 задаютпризнак типа структуры матрицы (П). Ниже приведены формулы дляпрямоугольной структуры. В случае радиальной структуры все приведенные формулыследует преобразовать в полярные координаты (r_k, φ₁).

В блоках 8-9 вычисляютзначения величин по формулам, приведенным в пп. 1.2.3.1-1.2.3.3 настоящегостандарта. Координаты энергетического центра (ЭЦ) вычисляют в относительныхединицах:

,                                                             (1)

.                                                             (2)

При выполнении блоков 10-11находят минимальный диаметр круга с центром в точке О и покрывающегоплощадь матрицы

,                                             (3)

где    k₀ и l₀ - координаты наиболееудаленного от ЭЦ элемента матрицы.

Далее с помощью блоков 12-16в цикле выполняют массив значений γ_i для различных D_i.

На основании полученныхзначений γ_i с помощью аппроксимации оценивают диаметр D_γпо заданному уровню γ (блоки 17, 18).

2. При обработке результатовизмерений диаметра пучка методом калиброванных диафрагм используют тот жеалгоритм, но пуск осуществляют с блока 21. Вычисление γ_iпроводят в цикле с помощью блоков 23-26, 15, 16, 20. Далее оценивают D_γ(блоки 17 и 18).

ИНФОРМАЦИОННЫЕДАННЫЕ

1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕНГосударственным комитетом СССР по стандартам

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕПостановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 27.01.84 № 361

3. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

4. ССЫЛОЧНЫЕНОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

5. ИЗДАНИЕ (декабрь 2001 г.)с Изменением № 1, утвержденным в ноябре 1987 г. (ИУС 2-88)

СОДЕРЖАНИЕ