style="width:1.57333in;height:0.8258in" /> 本文是学习GB-T 32831-2016 高能激光光束质量评价与测试方法. 而整理的学习笔记,分享出来希望更多人受益,如果存在侵权请及时联系我们
本标准规定了采用β因子、BQ 因子、BPF 因子和M
矩阵对高能激光光束质量的评价与测试方法。
本标准适用于持续时间不小于0.25 s、功率不小于10 kW 或脉冲能量不小于500
J 的高能激光光
束质量的评价和测试，其他类型高能激光的评价可参照执行。
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB 7247.1 激光产品的安全 第1部分：设备分类、要求
GB/T 7247.14 激光产品的安全 第14部分：用户指南
GB/T 13962—2009 光学仪器术语
GB/T 15313—2008 激光术语
JJF 1059.1—2012 测量不确定度评定与表示
ISO 11146-3:2004 激光和激光相关设备
激光束宽度、发散角和光束传输比试验方法 第 3 部
分：内在和几何激光束的分类、传播和试验方法细则(Lasers and laser-related
equipment—Test methods for laser beam widths,divergence angles and beam
propagation ratios—Part 3:Intrinsic and
geometrical laser beam classification,propagation and details of test
methods)
GB/T 13962—2009 和 GB/T 15313—2008
界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
参考光束 reference beam
用于评价光束质量的理想光束。高斯光束的参考光束为理想基模高斯光束，非高斯光束的参考光
束为强度与相位分布均匀的理想平面波光束。
注：
对非高斯光束，参考光束横截面可为圆形、圆环形、矩形或空心矩形，选取方法见附录
A。
3.2
桶中功率比 power(ratio)in the bucket
u
在光束横截面内，以光束轴为中心的一定直径或宽度区域内功率与光束总功率之比。
3.3
远场发散角 far-field divergence angle
日，
桶中功率比为u 的远场光束直径或宽度与传输距离的比。
3.4
衍射极限角 diffraction limit angle
理想平面波参考光束远场衍射中心亮斑宽度对应的远场发散角。
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3.5
中心遮拦比 concentric obscuration ratio
E
空心束内环直径或宽度与外环直径或宽度的比值。
注：空心束横截面形态包括圆环形和空心矩形。
3.6
β因子 factorβ
β
被测光束的远场发散角与参考光束的衍射极限角的比值。
注：被测光束远场发散角内含桶中功率比与参考光束衍射极限角内桶中功率比相等。
3.7
BQ 因子 factor BQ
BQ
参考光束与被测光束在衍射极限角内桶中功率比之比的平方根值。
3.8
BPF 因子 factor BPF
BPF
被测光束与圆形参考光束在衍射极限角内桶中功率比之比。
3.9
M 矩阵 matrix M
M
M 矩阵由2×2矩阵
style="width:1.57333in;height:0.8258in" />
表示，其中M: 和 M, 分别为实验室坐标系下x 和 y 方向上的
M,M, 为实验室坐标系下x 方向与y 方向的交叉项。对M 矩阵的描述参见附录B。
应根据不同光束特性，选择相应的光束质量评价方法：
a)
当关注的远场光束宽度大于衍射极限角对应的光束宽度时，宜采用β因子评价光束质量；
b) 当关注的远场光束宽度与衍射极限角对应的光束宽度相近时，宜采用BQ
因子或 BPF 因子评 价光束质量；
c) 当被测光束具有非旋转对称传输特性时，宜采用M 矩阵评价光束质量。
β因子的计算按式(1):
β=θ … .a/θr=du.eat/du.rf ………………………… (1)
式中：
日 … e——
日 g—
du.re——
du.e—
被测光束远场发散角，内含桶中功率比与参考光束衍射极限角内桶中功率比相等；
参考光束衍射极限角，桶中功率比 u 的计算方法见附录 A;
被测光束远场光束直径或宽度，内含桶中功率比与参考光束衍射极限角内桶中功率比
相等；
参考光束衍射极限角对应的远场光束直径或宽度，计算方法见附录 A。
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注：理想光束的光束质量β因子的数值等于1,实际被测光束的光束质量β因子的数值大于1。
BQ 因子的计算按式(2):
BQ=√uret/ural ………………………… (2)
式中：
urd—— 参考光束衍射极限角内的桶中功率比，计算方法见附录 A;
uraf 被测光束在参考光束衍射极限角内的桶中功率比。
注：理想光束的光束质量 BQ 因子的数值等于1,实际被测光束的光束质量 BQ
因子的数值大于1。
BPF 因子的计算按式(3):
BPF=ural/uref=1. 19Ph/P, ………………………… (3)
式中：
Ph— 被测光束在圆形参考光束衍射极限角内的功率，单位为瓦(W);
P,— 被测激光束的总功率，单位为瓦(W)。
注1:圆形参考光束衍射极限角内桶中功率比uri=0.838,其倒数为1.19;
注2:理想光束的光束质量BPF 因子为1,实际被测光束的光束质量BPF
因子小于1。
M 矩阵的计算按式(4):
style="width:5.66667in;height:0.82654in" /> (4)
式中：
dǒ,—— 被测光束在x 方向的束腰宽度平方；
d²,— 被测光束在y 方向的束腰宽度平方；
diy—— 被测光束束腰宽度平方在x 、y 方向的交叉项；
O² —— 被测光束在x 方向的束散角平方；
⊙ ? - 被 测 光 束 在y 方向的束散角平方；
O²,—— 被测光束束散角平方在x、y方向的交叉项；
λ ——被测激光束的波长。
注：理想基模高斯光束的M 矩阵为
style="width:0.79327in;height:0.66564in" />
,实际被测光束的M 矩阵中的M 和 M 的数值大于1。
在无其他规定时测试条件应满足以下要求：
a) 工作温度：15℃~35℃;
b) 相对湿度：45%～75%;
c) 气压：80 kPa～106 kPa;
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d)
需采取隔振和光电噪声屏蔽等措施，保证振动与杂散光等外界因素对测试的影响在测试装置
允许范围内；
e) 工作电压应满足测试对象和测试装置使用要求。
测试装置要求如下：
a)
测试装置的响应波长应与被测激光波长相匹配，光谱滤波器引入的像差均方根值(rms)
应小 于测试波长的十分之一；
b) 测试装置的响应时间应满足被测激光要求；
c) 测试装置的线性动态范围应大于300;
d) 测试装置的有效通光直径宜大于被测光束直径的1.2倍；
e) 测试装置的光束变换部分引入的像差均方根值(rms)
应小于测试波长的十分之一，引入的空 间光强调制度宜小于1.2;
f)
光束衰减器的抗激光损伤阈值应高于被测激光的功率或能量。衰减倍率应满足测试装置探测
动态范围的要求，并在使用前应对其进行标定。光束衰减器由于波长、偏振、非线性、非均匀性
等因素引起的光束质量相对变化应在使用前进行标定，且宜小于5%;
g) BPF 因子测试装置中的分束镜分光比为1:1;
h) 测试装置应经校准，且在有效期内使用。
应按 GB7247.1 和 GB/T 7247.14
的要求，对工作人员和测试装置采取高能激光辐射安全防护
措施。
测试装置示意图如图1所示。
style="width:6.34722in;height:0.59375in" />
说明：
1——被测激光束；
2——光束衰减器；
3——光谱滤波器(必要时);
4——光束变换系统；
5——面阵探测器；
6——数据采集处理系统。
图 1 β因子测试装置示意图
被测激光束经过光束衰减器、光谱滤波器和光束变换系统后，聚焦于面阵探测器上，数据采集系统
获得每一帧光斑强度分布，根据强度分布计算出被测激光束远场光束直径或光束宽度，再计算出光束质
量β因子。
测试步骤如下：
a)
利用与被测光束同轴的指示光，调整测试装置位置与角度，应使指示光进入测试装置未被遮
4
GB/T 32831—2016
挡，面阵探测器位于光束变换系统的焦面上，光斑图像应在面阵探测器输出图像中心区域，关
闭指示光；
b)
根据被测光强量级和面阵探测器动态范围，选择合适衰减倍率的光束衰减器，宜使测试装置输
出图像峰值光强处于动态范围的2/3以上，但不饱和；
c) 采集背景图像，采集帧数应大于50帧，计算平均本底帧和噪声标准差；
d) 出光过程中采集被测光束的远场光斑强度分布图像；
e) 扣除平均本底帧和噪声标准差(处理方法见 ISO11146-3:2004
第3章)。以光斑强度分布一 阶矩质心为中心，计算出桶中功率比为 ur
的光束直径或光束宽度。对圆形和圆环形参考光
束，ure的计算方法见式(A.4)。 对矩形和空心矩形参考光束，um
的计算方法见式(A.12) 和式 (A. 13);
f)
计算参考光束的光束直径或光束宽度。对圆形和圆环形参考光束，计算方法见式(A.2)
和式
(A.3)。 对矩形和空心矩形，计算方法见式(A.8)～ 式 (A.11);
g) 按式(1)计算β因子。
对于需要进行不确定度评定的按JJF 1059.1—2012规定的方法进行。
测试装置原理框图如图1所示。被测激光束经过光束衰减器、光谱滤波器和光束变换系统后，聚焦
于面阵探测器上，数据采集系统获得每一帧光斑强度分布，根据光斑强度分布以一阶矩质心为中心，计
算出被测光束在参考光束衍射极限角内的桶中功率比，再计算出参考光束衍射极限角内的桶中功率比，
得到 BQ 因子。
测试步骤如下：
a)
利用与被测光束同轴的指示光，调整测试装置位置与角度，应使指示光进入测试装置未被遮
挡，面阵探测器位于光束变换系统的焦面上，光斑图像应在面阵探测器输出图像中心区域，关
闭指示光；
b)
根据被测光强量级和面阵探测器动态范围，选择合适衰减倍率的光束衰减器，宜使测试装置输
出图像峰值光强处于动态范围的2/3以上，但不饱和；
c) 采集背景图像，采集帧数应大于50帧，计算平均本底帧和噪声标准差；
d) 出光过程中采集被测光束的远场光斑强度分布图像；
e) 扣除平均本底帧和噪声标准差(处理方法见 ISO11146-3:2004 第3章);
f)
计算参考光束衍射极限角对应远场光束直径或宽度，以及内含桶中功率比，计算方法见附
录 A;
g)
根据被测光束光斑强度分布，以一阶矩质心为中心计算出在参考光束衍射极限角内的桶中功
率比，按式(2)计算 BQ 因子。
对于需要进行不确定度评定的按JJF 1059.1—2012 规定的方法进行。
GB/T 32831—2016
测试装置示意图如图2所示。
style="width:7.63334in;height:1.07338in" />7
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说明：
2——光束衰减器；
3——光谱滤波器(必要时);
4——光束变换系统；
5——分束镜；
6——小孔；
7-—功率探测器1;
图 2 BPF 因子测试装置示意图
被测激光束经过光束衰减器、光谱滤波器和光束变换系统后，被分束镜分为两束，
一束直接进入功 率探测器1,另一束经过通光直径为d
的小孔后，进入功率探测器2,用于测试衍射极限角内的桶中
功率，计算 BPF 因子。
测试步骤如下：
a)
利用与被测光束同轴的指示光，调整测试装置位置与角度，应使指示光进入测试装置未被遮
挡，保证指示光与测试系统共轴，功率探测器1与小孔分别位于光束变换系统的焦面上，功率
探测器2紧贴小孔放置；
b)
调整功率探测器2和小孔的相对位置，保证聚焦光束几何中心与小孔中心重合，使得透过小孔
的光束全部进入功率探测器2中，关闭指示光；
c)
根据被测光束功率量级和探测器动态范围，选择合适衰减倍率的光束衰减器，使得功率探测器
接收功率处于线性范围内且未饱和；
d) 出光过程中，记录功率探测器1的输出功率，计算被测激光输出总功率 P;
记录功率探测器2
的输出功率，计算被测激光在圆形参考光束衍射极限角内的功率P;
e) 按式(3)计算光束质量 BPF 因子。
对于需要进行不确定度评定的按JJF 1059.1—2012规定的方法进行。
测试装置示意图如图3所示。
GB/T 32831—2016
style="width:6.34667in;height:1.34002in" />1 2 3 4 5 6
7
说明：
1——被测激光束；
2——光束衰减器；
3——光谱滤波器(必要时);
5——面阵探测器；
6—-数据采集处理系统；
7——平移台。
图 3 M 矩阵测试装置示意图
被测激光束经过光束衰减器、光谱滤波器和光束变换系统后，被置于平移台上的面阵探测器接收，
沿光束传输方向移动平移台，测试被测激光在不同位置处的光斑强度分布图像，基于二阶矩法和多点拟
合法求出M 矩阵。然后将各个位置处的光斑强度分布图像同时绕
轴旋转角度θ,计算不同旋转角度
下的M(0), 得到曲线M(0) 随0变化的曲线。
测试步骤如下：
a)
利用与被测光束同轴的指示光，调整测试系统位置与角度，应使指示光进入测试系统未被遮
挡。调整平移台位置与角度，确保平移台在移动过程中，测试装置输出图像位置保持不变。调
整面阵探测器位置，使得光斑图像位于面阵探测器输出图像中心区域；
b) 关闭指示光，平移台移动至初始位置；
c)
根据被测光强量级和面阵探测器动态范围，选择合适衰减倍率的光束衰减器，宜使测试装置输
出图像峰值光强处于动态范围的2/3以上，但不饱和；
d) 采集背景图像，采集帧数应大于50帧，计算平均本底帧和噪声标准差；
e) 输出被测激光，采集该位置处的光斑强度分布图像 I(x,y,x);
f) 移动平移台，改变面阵探测器在 轴的位置，重复步骤 c) 、d)
、e),测试位置不少于10个，保证 其中有一半位置位于瑞利距离以内；
g) 针对每个位置x 处的光斑强度分布图I(x,y,x),
扣除该位置处的平均本底帧和噪声标准差 (处理方法见ISO 11146-3:2004
第3章);
h) 按式(5)、式(6)计算光斑质心；
style="width:4.0334in;height:1.24674in" /> ………………………… ( 5)
style="width:3.98667in;height:1.27336in" />
…………………………
(6)
i) 按式(7)～式(9)计算x 方向束宽平方d(x) 、y 方向束宽平方d(x)
及交叉项d²(c);
style="width:6.05324in;height:1.24674in" />
…………………
(7)
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style="width:6.04663in;height:1.26654in" /> (8)
style="width:7.5133in;height:1.27314in" /> (9)
j) 采用最小二乘法对不同位置的 d(z) 、d³(z) 及交叉项d²y(x)
进行二次曲线拟合，获得式
(10)的系数ax 、b 、cx,ay 、by 、cxy 和a, 、b, 、c,;
style="width:3.51325in;height:1.25334in" />
………
……
(10)
k) 按式(11)分别计算出光束在实验室坐标系下的x 方向束腰宽度平方d, 、y
方向束腰宽度平
方d, 及其交叉项d&y, 束散角平方θ、θ及其交叉项θ,;
1) 按式(4)得到M 矩阵；
style="width:2.66003in;height:2.5924in" />
…………………………
(11)
m) 将各个位置处的光斑强度分布图像同时绕
轴按一定角度间隔旋转360°(角度间隔可取值 10°),重复步骤 h)～1)
得到不同旋转角度θ下的M 矩阵，画出M 曲线。
对于需要进行不确定度评定的按JJF 1059.1—2012 规定的方法进行。
style="width:5.04002in;height:1.76in" />GB/T 32831—2016
(规范性附录)
非高斯光束参考光束的选取及参数计算
A. 1 参考光束的选取
根据实际被测光束横截面形态，参考光束可为圆形、圆环形、矩形或空心矩形。圆形或圆环形参考
光束直径为实际光束的近场光束直径，圆环形参考光束内径为最大不遮光同心圆直径。矩形或环形矩
形外宽度为实际光束的近场光束宽度，环形矩形参考光束内宽度为最大不遮光同心矩形宽度。参考光
束截面选取示意图如图 A. 1 所示。
style="width:5.93335in;height:1.40668in" />
外 环
图 A. 1 参考光束截面选取示意图
注：非高斯光束近场光束外环直径或光束宽度对应的桶中功率比一般可取99%。
A.2 圆形和圆环形参考光束远场光束直径及桶中功率比
根据夫朗和费衍射理论，在傍轴条件计算出半径为 r
的参考光束远场强度分布见式(A. 1):
style="width:7.3868in;height:0.71346in" /> … … … … …(A. 1)
式中：
I。 —— 参考光束远场峰值强度；
J₁ — 一 阶贝塞尔函数；
du.mr—— 与实际光束对应的参考光束近场光束直径；
f — 测试装置等效焦距；
λ —— 实际光束激光波长；
e —— 中心遮拦比。
令 I(r)=0, 得到圆环形光束强度零点半径应满足的位置方程见式(A.2):
Ji[πdumarr/(fλ)]-eJi[πed 。.marr/(fλ)]=0 … … … … … … … …(A.2)
解方程得到第一级解，乘以2得到光束直径。对圆环形参考光束衍射极限角对应的远场光束直径
d..e 有简化式(A.3):
da,et =cfa/da,near ……………… ……… (A.3)
式中：
c—— 与光束中心遮拦比相关的远场发散角系数。
参考光束衍射极限角远场光束直径内的桶中功率比 u 见式(A.4):
style="width:3.06658in;height:1.23992in" /> … … … … … … … … … …(A.4)
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数值计算得出远场发散角系数 c 和衍射极限角桶中功率比ue
与遮拦比ε的对应值，当ε=0时为
圆形束。表 A. 1 给出了常用值以作参考。
表 A.1 c、um与ε的对应值
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A.3 矩形和矩形环形参考光束远场光束宽度及桶中功率比
根据夫朗和费衍射理论，在傍轴条件下得出远场强度分布见式(A.5)～ 式(A.7):
style="width:5.69342in;height:0.70664in" /> ……… ………… (A.5)
a=πdwmarx/(fn) …… ………………… (A.6)
y=πd,w.mery/(fn) … … … … … … … … … …( A.7)
式中：
e — 空心矩形束在x 方向上的中心遮拦比；
ey —— 空心矩形束在y 方向上的中心遮拦比；
d.u.mer— 与被测光束对应的参考光束x 方向近场光束宽度；
dyw.mear——与被测光束对应的参考光束y 方向近场光束宽度。
令 I=0, 得到矩形环形光束强度零点在x,y
两个方向上应满足的位置方程见式(A.8) 、式(A.9):
sina sinae=0 …… ………………… (A.8)
siny- sinYe,=0 … … … … … … … … … …(A.9)
满足位置方程的第一级解为光束半宽度，乘以2得到光束宽度。
当ε=0时为矩形参考光束，x、y
方向衍射极限角对应的远场光斑宽度有简化式(A.10)、式(A.11):
dr.amd =2λf/d.u,mar
dy.ud=2λf/dy.a.near
式中：
d —— 参考光束的x 方向衍射极限角对应的远场光束宽度；
dy — 参考光束的y 方向衍射极限角对应的远场光束宽度。
… … … … … … … … … …(A. 10)
……… … ………… (A.11)
参考光束衍射极限角x 方向远场光束宽度内的桶中功率比见式(A.12):
style="width:3.54676in;height:1.3134in" /> ………… …………… (A.12)
参考光束衍射极限角y 方向远场光束宽度内的桶中功率比见式(A.13):
style="width:3.55337in;height:1.3266in" /> ………… … ……… (A.13)
注：理论上，必需对整个平面内进行积分。实际上，要求对占光束功率(能量)至少99%的面积进行积分。
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(资料性附录)
M 矩阵描述
B.1 M 矩阵的特性
在实验室坐标系下，束宽平方d²(x)、d³(x) 以及交叉项d²,(z)
构成的矩阵与光斑主轴方向上
对应的束宽平方di(x)、d²(x) 满足式(B.1) 所示的变换关系。
式中：
style="width:8.73994in;height:0.79236in" />
… … …(B. 1)
α— 光斑主轴方向与实验室坐标系x 方向的夹角。
在实验室坐标系下，从初始角度0°开始，将各个位置
处的光斑强度分布图像同时绕。轴旋转0角
后的束宽平方d². (z)、d³.。(x) 以及交叉项d². (z)
满足式(B.2)所示的变换关系。
style="width:8.73326in;height:0.79992in" />
style="width:3.52663in;height:0.75328in" />
……
… … … … …(B.2)
被测激光束在实验室坐标系下的光斑取向及光斑图像旋转如图B.1所示。
style="width:6.04663in;height:4.75992in" />
说明：
α——光斑主轴方向与实验室坐标系x 方向的夹角；
θ——光斑图像旋转角。
图 B.1 被测激光束的光斑取向及光斑图像旋转示意图
B.2 M 矩阵举例
作为计算例，设厄米-高斯光束 TEM。
经过两个母线有一定夹角的柱透镜，令第一个柱透镜焦距为
0.4 m,其母线与x 轴夹角为50°,第二个柱透镜焦距为0.2 m, 其母线与x
轴夹角为-20°,输出光束具
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有复杂像散特性。基于衍射理论计算出光束在10个传输位置的光强分布图像
I(x,y,x)。 按照5.5.2
规定的测试方法计算可得该输出光束的M 矩阵为：
style="width:4.58674in;height:0.78012in" />
M, '曲线如图B.2 所示。图中实心单位圆表示基模高斯光束的 M, 曲线。 M,
曲线越接近于单位
圆，被测激光的光束质量越接近于理想基模高斯光束的光束质量；M,
'曲线越偏离于单位圆，光束质量
越差。
style="width:4.69341in;height:4.59998in" />
图 B.2 厄米-高斯光束TEM。 通过两柱透镜后的M, 曲线
更多内容 可以 GB-T 32831-2016 高能激光光束质量评价与测试方法. 进一步学习