GB/T 27665-2024 掺钕钇铝石榴石激光棒激光性能测量方法

　　ICS 31.260 CCS L 51

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 27665—2024代替 GB/T27665—2011

　　掺钕钇铝石榴石激光棒激光性能测量方法

　　Testmethod forlasing capability ofNd:YAG laserrods

　　2024-08-23发布 2024-08-23实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 27665—2024

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则 第 1部分 :标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　本文件代替 GB/T 27665—2011《掺 钕 钇 铝 石 榴 石 激 光 棒 激 光 性 能 测 量 方 法》, 与 GB/T 27665— 2011相比 ,除结构调整编辑性改动外 ,主要技术变化如下 :

　　— 增加了测试样品的适用范围(见第 1 章) ;

　　— 增加了测试样品的激光性能参数(见第 1 章和 4. 3) ;

　　— 更改了测量原理的表述方式 ,将连续激光性能和脉冲激光性能原理合并 阐 述(见 5. 1 和 5. 2, 2011年版的 5. 1 和 5. 2) ;

　　— 增加了动态消光比和激光损伤阈值的测量原理(见 5. 3 和 5. 4) ;

　　— 更改了测量装置要求 ,将连续激光和脉冲激光测试装置简化(见 6. 1 和 6. 2,2011年版的 6. 1 和6. 2) ;

　　— 增加了动态消光比和激光损伤阈值的测量装置要求(见 6. 3 和 6. 4) ;

　　— 更改了测试步骤 和 测 量 结 果 , 根 据 激 光 器 发 展 , 简 化 测 试 步 骤 和 计 算 公 式 (见 7. 1 和 7. 2, 2011年版的第 7章和第 8章) ;

　　— 增加了动态消光比和激光损伤阈值的测试步骤和数据处理(见 7. 3 和 7. 4) 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国机械工业联合会提出 。

　　本文件由全国光辐射安全和激光设备标准化技术委员会(SAC/TC284)归 口 。

　　本文件起草单位 : 中国电子科技集团公司第十一研究所 、北京雷生强式科技有限责任公司 、中电科光电科技有限公司 、成都东骏激光股份有限公司 、中国科学院福建物质结构研究所 。

　　本文件主要起草人 :朱建慧 、邢晓文 、吴玮 、周世斌 、吴少凡 、仇瑛 、孙玲 、李久喜 。

　　本文件及其所代替文件的历次版本发布情况为 :

　　— 1989年首次发布为 GB/T 11297. 4—1989和 GB/T 11297. 5—1989;

　　— 2011年第一修订 ,整合为 GB/T 27665—2011;

　　— 本次为第二次修订 。

　　Ⅰ

　　GB/T 27665—2024

　　掺钕钇铝石榴石激光棒激光性能测量方法

　　1 范围

　　本文件描述了在波长 1 064 nm 的激光腔内测量掺钕钇铝石榴石激光棒的激光性能的测量方法 。

　　本文件适用于掺钕钇铝石榴石激光棒(发出波长为 1 064 nm 的棒状固体激光工作物质) 的激光阈值 、斜率效率 、动态消光比和激光损伤阈值的测量 ,钕铈双掺钇铝石榴石 、掺钕玻璃及陶瓷等其他类似材料或相近形状或其他工作波长的激光棒的激光性能测量参照使用 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 ,仅该日期对应的版本适用于本文件 ;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/T 1185 光学零件表面疵病

　　GB/T 7247. 1 激光产品的安全 第 1部分 :设备分类和要求

　　GB/T 11293 固体激光材料名词术语

　　GB/T 11297. 3 掺钕钇铝石榴石激光棒消光比的测量方法

　　GB/T 13842 掺钕钇铝石榴石激光棒

　　GB/T 15313 激光术语

　　GB/T 16601. 2 激光器和激光相关设备 激光损伤阈值测试方法 第 2部分 : 阈值确定

　　3 术语和定义

　　GB/T 11293和 GB/T 15313界定的术语和定义适用于本文件 。

　　4 技术要求

　　4. 1 测试环境

　　除非另有规定 ,测试应在以下条件下进行 :

　　a) 环境温度 :22 ℃ ±5 ℃ ;

　　b) 相对湿度 :≤70% ;

　　c) 气压 :86kPa~ 106kPa;

　　d) 测量系统处于无明显的振动 、气流和烟尘的环境中 ,应无影响测量结果的干扰 。

　　4.2 被测激光棒的加工技术要求

　　除特殊要求外 ,选取相同掺杂浓度的掺钕钇铝石榴石(Nd: Y3Al5 O12 , 以下简称 Nd: YAG) 激光棒进行加工 ,加工要求应符合 GB/T 13842的规定 :

　　a) 两端面平行度优于或等于 10″;

　　b) 端面对棒轴垂直度优于或等于 5';

　　1

　　GB/T 27665—2024

　　c) 端面表面疵病符合 GB/T 1185的规定 ,具体要求为 B/0. 8D0 ×0. 05、C1×0. 01、P0. 1(D0 为激光棒直径 ,单位 :mm) ;

　　d) 端面平面度在全口径 90%直径范围内优于或等于λ/10(λ为 632. 8 nm) ;

　　e) 激光棒两端面镀增透膜符合 GB/T 13842 的规定 ,具体要求为 : 在波长为 1 064 nm 处的剩余反射率均不大于 0. 2% 。

　　4.3 性能参数

　　本文件规定的激光性能参数主要指 :

　　a) 激光阈值 ;

　　b) 斜率效率 ;

　　c) 动态消光比 ;

　　d) 激光损伤阈值 。

　　4.4 安全防护

　　测量时应按 GB/T 7247. 1 的要求采取安全防护措施 。

　　5 测量原理

　　5. 1 激光阈值

　　用 Nd:YAG 激光棒搭建激光器 , 以连续/脉冲方式泵浦 ,测量激光输出阈值 。谐振腔型宜采用平面—平面谐振腔 ,激光棒散热良好且对泵浦光有良好的吸收 。待激光输出功率/能量稳定后 ,测量输入功率/能量和输出功率/能量 ,在直角坐标系中以输入功率/能量为横轴 ,输出功率/能量为纵轴作出特性曲线 ,见图 1。对特性曲线的线性部分进行线性拟合 ,经过拟合后的反向延长线与输入功率/能量轴上的交点截距即该棒的连续/脉冲激光阈值 。

　　a) 激光器输出功率随输入功率变化曲线 b) 激光器输出能量随输入能量变化曲线

　　图 1 连续/脉冲激光阈值特性曲线示意图

　　5.2 激光斜率效率

　　激光棒的连续/脉冲激光斜率效率的测量原理同 5. 1,其中 , 图 2 特性曲线经过线性拟合后的斜率即棒的斜率效率 。

　　2

　　GB/T 27665—2024

　　a) 激光器输出功率随输入功率变化曲线 b) 激光器输出能量随输入能量变化曲线

　　图 2 连续/脉冲激光斜率效率特性曲线示意图

　　5.3 动态消光比

　　激光棒在泵浦状态下 ,利用光敏探测器分别测量出激光棒在起偏器和检偏器间的透射光强 ,通过下式计算消光比值 :

　　式中 :

　　Ex — 消光比 ,单位为分贝(dB) ;

　　I‖ — 同样情况的平行偏光状态下输出的光强值 ,单位为毫伏(mV) ;

　　I⊥ — 在正交偏光状态下输出光强值 ,单位为毫伏(mV) 。

　　Ex = 10× lg(I‖ /I⊥ ) …………………………( 1 )

　　5.4 激光损伤阈值

　　足够强的激光会导致光学元件的性质产生不可逆的变化 ,称为激光损伤 。确定激光损伤阈值 ,首先找到零损伤和百分之百损伤的功率水平 ,进一步绘制不同损伤概率下的能量/功率密度曲线 ,然后将数据线性外推找到损伤概率为 0 的位置 ,该位置对应的能量/功率密度即为激光损伤阈值 。

　　6 测量装置

　　6. 1 激光阈值

　　激光阈值测量系统由下列元器件组成 :冷却系统 、准直激光器 、全反镜 、泵浦单元 、激光棒 、输出镜和激光功率计或能量计 。测量系统框图见图 3,典型的灯泵浦测量装置示见附录 A。

　　3

　　GB/T 27665—2024

　　标引序号说明 :

　　1— 冷却系统 ;

　　2— 准直激光器 ;

　　3— 全反镜 ;

　　4— 泵浦单元 ;

　　5— 激光棒 ;

　　6— 输出镜 ;

　　7— 激光功率计(能量计) 。

　　图 3 测量系统组成框图

　　6.2 斜率效率

　　激光棒的斜率效率的测量系统装置同 6. 1,测量系统组成框图见图 2。

　　6.3 动态消光比

　　动态消光比测量系统由下列元器件组成 :激光器 、扩束镜 、起偏器 、可调光阑 、泵浦单元 、激光棒 、检偏器 、探测器和显示仪器 。测量系统框图见图 4,其中 ,本测量系统的激光器为 1 064 nm 波长且激光光源功率波动应小于或等于 1. 0% ;扩束后的光源光束发散角应小于或等于 3 mrad;泵浦单元 、激光晶体与附录 A 中 A. 3所述的谐振腔构成激光器 ,泵浦均匀 ,泵浦功率应满足使激光输出功率/能量随输入功率/能量线性增长 ;探测器为光敏探测器 ,应在线性区工作 ;该测量系统的消光比应大于或等于 40 dB。

　　4

　　GB/T 27665—2024

　　标引序号说明 :

　　1— 激光器 ;

　　2— 扩束器 ;

　　3— 起偏器 ;

　　4— 可调光阑 ;

　　5— 泵浦单元 ;

　　6— 激光棒 ;

　　7— 检偏器 ;

　　8— 探测器 ;

　　9— 显示仪器 。

　　图 4 动态消光比测量系统组成框图

　　6.4 激光损伤阈值

　　通过可变衰减器将一台高性能 、稳定输出的激光光源 ,调整到期望的脉冲能量或者连续功率 ,会聚到位于会聚系统焦平面或者附近的测试样品上 。激光损伤阈值测量系统由下列元器件组成 :激光系统 、可变衰减器 、波片 、会聚系统 、光束诊断装置 、在线损伤探测器 、测试样品室和分光镜 。测量系统框图见图 5。

　　5

　　GB/T 27665—2024

　　标引序号说明 :

　　1— 激光系统 ;

　　2— 可变衰减器 ;

　　3— 波片 ;

　　4— 会聚系统 ;

　　5— 光束诊断装置 ;

　　6— 在线损伤探测器 ;

　　7— 测试样品室 ;

　　8— 分光镜 。

　　图 5 激光损伤阈值测试系统组成框图

　　图 5所示的激光损伤阈值测试系统中的测试装置参见 GB/T 16601. 1 的相关条款 。

　　7 测试步骤及数据处理

　　7. 1 激光阈值

　　7. 1. 1 测试步骤

　　测量应按以下步骤进行 。

　　a) 将被测激光棒装入泵浦单元 ,并确认激光棒端面无污染后装入由全反镜和输出镜组成的谐振腔中 ,在装入过程中棒受力应均匀 。利用准直激光束调整光路 ,使激光棒端面反射光点与谐振腔镜的反射光点重合 ,保证棒与谐振腔同轴 。

　　b) 确认泵浦单元温控和散热系统工作正常 。

　　c) 接通电源 ,调节泵浦光功率/能量至谐振腔产生振荡并输出激光 。

　　d) 按照一定单位间隔继续输入泵浦光功率/能量 , 由低到高测量每一输入功率/能量对应的输出功率/能量并记录数据 。测量不少于 5个点,每一点重复测量 3 次取平均值 。

　　e) 测量完毕后 ,逐渐降低输入功率/能量 ,关闭电源及相关冷却装置 。

　　7. 1.2 数据处理

　　测出输入和输出功率/能量 ,作出激光输出功率/能量对输入功率/能量的特性曲线 ,将特性曲线的线性区间进行线性拟合 ,线性拟合后直线部分反向延长到横轴 ,其交点的截距即是该激光棒的阈值 。

　　7.2 斜率效率

　　7.2. 1 测试步骤

　　激光棒的斜率效率的测试步骤在执行 7. 1. 1 中 a) ~ d) 的基础上 ,按照一定单位间隔继续输入泵浦

　　6

　　GB/T 27665—2024

　　光功率/能量 , 由低到高测量每一输入功率/能量对应的输出功率/能量并记录数据 。测量不少于 10个点,每一点重复测量 3 次取平均值 ,测量完毕后 ,应逐渐降低输入功率/能量 ,关闭电源 ,关闭温控和散热系统 ,取出被测激光棒 。

　　7.2.2 数据处理

　　7.2.2. 1 连续激光斜率效率

　　激光棒的连续激光斜率效率按公式(2)计算 :

　　…………………………( 2 )

　　式中 :

　　η — 斜率效率 ;

　　ΔPout — 直线段激光输出功率增量 ,单位为瓦(W) ;

　　ΔPin — 直线段电源输入功率增量 ,单位为瓦(W) 。

　　7.2.2.2 脉冲激光斜率效率

　　激光棒的脉冲激光斜率效率按公式(3)计算 :

　　…………………………( 3 )

　　式中 :

　　η — 斜率效率 ;

　　ΔEout — 直线段激光输出能量增量 , 单位为焦耳(J) ;

　　ΔEin — 直线段电源输入能量增量 , 单位为焦耳(J) 。

　　7.3 动态消光比

　　7.3. 1 测试步骤

　　将被测激光棒装入泵浦腔内 ,放入测试区域 ,打开泵浦单元 ,泵浦功率应满足使激光输出的工作状态 ,按 GB/T 11297. 3进行消光比测量 。

　　7.3.2 数据处理

　　将光强 I⊥' 、I⊥ 和 I‖ ,代入公式(4) ,计算出被测激光棒的动态消光比值 :

　　式中 :

　　Ex — 消光比 ,单位为分贝(dB) ;

　　I‖ — 同样情况的平行偏光状态下输出的光强值 ,单位为毫伏(mV) ;

　　I⊥ — 放置激光棒时正交偏光状态下输出的光强值 ,单位为毫伏(mV) ;

　　I⊥' — 不放置激光棒时正交偏光状态下输出的光强值 ,单位为毫伏(mV) 。

　　Ex = 10× lg[I‖ /(I⊥ -I'⊥ )] …………………………( 4 )

　　7.4 激光损伤阈值

　　激光棒的激光损伤阈值的单次照射(在测试样品表面每个测试点只进行一次激光辐照的损伤阈值测试过程 , 即 1对 1) 、多次照射(采用相同能量密度的脉冲串辐照测试样品表面每个测试点的损伤阈值测试过程 , 即 S 对 1)的阈值测试步骤和数据处理分别按 GB/T 16601. 2 的相关条款执行 。

　　7

　　GB/T 27665—2024

　　8 测量报告

　　测量报告应包括下列内容 :

　　a) 测试单位 ;

　　b) 送检单位 ;

　　c) 环境条件 ;

　　d) 测试条件及参数 ;

　　e) 测量人员 ;

　　f) 核验人员 ;

　　g) 测量日期 ;

　　h) 激光棒编号 ;

　　i) 激光棒规格 ;

　　j) 被测激光棒的特性曲线 ;

　　k) 实际测量参数结果 。

　　测量报告样式见附录 B。

　　8

　　GB/T 27665—2024

　　附 录 A

　　(资料性)

　　激光阈值及斜率效率典型测量装置示例

　　A. 1 冷却系统

　　采用压缩机制冷 ,冷却水温度为 20 ℃ ±2 ℃ 。

　　A.2 激光电源

　　A.2. 1 连续激光电源 :最大输出功率 1 000 W ~ 4 500 W ,应能连续可调 ,并有计量合格的电压及电流显示表 。

　　A.2.2 脉冲激光电源 :最大输出能量为 50J~ 200J,并且连续可调 , 电源脉宽为 200 μs~ 250 μs可调 。

　　A.3 谐振腔

　　采用平面—平面腔 ,全反镜距离激光棒端面 200 mm ,输出镜距离激光棒端面 200 mm。全反镜对波长 1 064 nm 的光波反射率应大于 99. 8% , 连续激光输出镜透过率为 15%±2% , 脉冲激光输出镜反射率为 50%±2% 。

　　A.4 泵浦单元

　　采用直管型泵浦灯 ,灯弧长可参照 L棒/L灯 ≈1. 1 进行选择 ,灯内径可参照 R 棒/R灯 ≈1. 2 进行选择 ;聚光腔采用金属成像聚光腔 。

　　A.5 激光功率计(能量计)

　　激光功率计(能量计) 。

　　9

　　GB/T 27665—2024

　　附 录 B

　　(资料性)

　　测量报告

　　测量数据的记录与报告格式见表 B. 1~表 B. 4。

　　表 B. 1 激光棒连续激光阈值及斜率效率测量报告

　　送检单位 :

　　测试单位 :

　　环境温度/℃ :

　　相对湿度/% :

　　样 品 编 号 及 规 格尺寸/mm

　　测试条件及参数

　　测 试 结 果

　　样品编号

　　规格尺寸/

　　mm

　　输入功率/ W

　　输出功率/ W

　　激光阈值/ W

　　斜率效率/ %

　　特 性 曲 线

　　备注

　　测量人员 : 测量 日期 : 年 月 日

　　核验人员 : 核验日期 : 年 月 日

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　　GB/T 27665—2024

　　表 B.2 激光棒脉冲激光阈值及斜率效率测量报告

　　送检单位 :

　　测试单位 :

　　环境温度/℃ :

　　相对湿度/% :

　　样 品 编 号 及 规 格尺寸/mm

　　测试条件及参数

　　测 试 结 果

　　样品编号

　　规格尺寸/

　　mm

　　输入能量/ J

　　输出能量/ J

　　激光阈值/ J

　　斜率效率/ %

　　特 性 曲 线

　　备注

　　测量人员 : 测量 日期 : 年 月 日

　　核验人员 : 核验日期 : 年 月 日

　　11

　　GB/T 27665—2024

　　表 B.3 激光棒动态消光比测量报告

　　送检单位 :

　　测试单位 :

　　环境温度/℃ :

　　相对湿度/% :

　　样 品 编 号 及 规 格尺寸/mm

　　测试条件及参数

　　测 试 结 果

　　样品编号

　　规格尺寸/

　　mm

　　不放置激光

　　棒时正交偏

　　光状态下输

　　出的光强值I⊥' /mV

　　放置激光棒

　　时正交偏光

　　状态下输出

　　光强值 I⊥ /

　　mV

　　平行偏光状

　　态下输出的

　　光强值 I‖ /

　　mV

　　动态消光比Ex/dB

　　备注

　　测量人员 : 测量 日期 : 年 月 日

　　核验人员 : 核验日期 : 年 月 日

　　12

　　GB/T 27665—2024

　　表 B.4 激光棒激光损伤阈值测量报告

　　送检单位 :

　　测试单位 :

　　环境温度/℃ :

　　相对湿度/% :

　　样 品 编 号 、 规 格尺寸/mm

　　测试条件及参数

　　测 试 结 果

　　样品编号

　　规格尺寸

　　mm

　　激光损伤阈值/(W/cm2 或 J/ cm2 )

　　备注

　　测量人员 : 测量 日期 : 年 月 日

　　核验人员 : 核验日期 : 年 月 日

　　13

　　GB/T 27665—2024

　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 16601. 1 激光器和激光相关设备 激光损伤阈值测试方法 第 1 部分 :定义和总则

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