ГОСТ Р 58563-2019
(ISO/TR 22588:2005)

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Оптика и фотоника

ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Методы измерения поглощения оптическими компонентами

Optics and photonics. Lasers and laser-related equipment. Methods for measurement of absorption-induced effects in laser optical components

ОКС 31.260

Дата введения 2020-09-01

Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием "Научно-исследовательский институт физической оптики, оптики лазеров и информационных оптических систем Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова" (ФГУП "НИИФООЛИОС ВНЦ "ГОИ им.С.И.Вавилова") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии документа, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 296 "Оптика и фотоника"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 сентября 2019 г. N 811-ст

4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному документу ISO/ТR 22588:2005* "Оптика и фотоника. Лазеры и связанное с ними оборудование. Измерения и оценка воздействия абсорбции на оптические компоненты" (ISO/TR 22588:2005 "Optics and photonics - Lasers and laser-related equipment - Measurement and evaluation of absorption-induced effects in laser optical components", MOD) путем внесения технических отклонений, которые выделены по тексту курсивом**, а также изменения его структуры для приведения в соответствие с правилами, установленными в ГОСТ 1.5-2001 (подразделы 4.2 и 4.3).

________________
     * Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей;
     ** В оригинале обозначения и номера стандартов и нормативных документов в разделе "Предисловие" и приложении ДБ приводятся обычным шрифтом, отмеченные в этих разделах знаком "**" и  остальные по тексту документа выделены курсивом. -. - Примечание изготовителя базы данных.    

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5).

Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой примененного в нем международного документа приведено в дополнительном приложении ДА.

Сведения о соответствии ссылочных национальных стандартов международным стандартам, использованным в качестве ссылочных в примененном международном стандарте, приведены в дополнительном приложении ДБ

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

6 Некоторые элементы настоящего стандарта могут быть объектами патентных прав. Международная организация по стандартизации (ИСО) не несет ответственности за установление подлинности каких-либо или всех таких патентных прав

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации"**. Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Введение

В настоящем стандарте представлены стандартные методы измерения поглощения, позволяющие избежать конфликтных ситуаций между пользователями и поставщиками оптических компонентов.

При падении лазерного пучка на оптический компонент происходит поглощение определенного количества энергии. В зависимости от интенсивности лазерного пучка и поглощающей способности материала компонента температура компонента будет повышаться неравномерно. Даже если лазерный пучок с равномерным распределением интенсивности заполняет всю площадь компонента, на поверхности будут созданы температурные градиенты. За исключением случаев, когда материал имеет незначительный коэффициент расширения, температурные градиенты приводят к формированию относительного расширения, в результате чего возникают искажение, деформация и изменение свойств двулучепреломления компонентов. Показатель преломления большинства оптических материалов также зависит от температуры. При изменении формы оптической поверхности компонента в большинстве случаев будет изменена форма и/или расходимость прошедшего и/или отраженного пучка. Если траектория пучка включает поляризатор, разветвитель пучка или дефлектор пучка, выходная мощность/энергия и/или распространение пучка в лазерной системе могут изменяться. Эти эффекты могут увеличиваться, если компонент жестко сжат. При значительной деформации на компоненте могут образоваться трещины.

Коэффициенты поглощения большинства материалов, как правило, с повышением температуры становятся только слабо нелинейными. Однако пропускающие компоненты, выполненные из полупроводящих материалов, имеют нелинейные коэффициенты поглощения с четкими пороговыми значениями, которые значительно ниже температуры плавления материала. Это явление называют "термическим разгоном", и оно эффективно ограничивает нагрузку по оптической мощности, при которой данные материалы используют. Пороговое значение термического разгона сопровождается резким увеличением поглощения, искажения и появлением тепловой линзы. Показатели преломления и коэффициенты линейного расширения чувствительны к изменениям температуры, но не обязательно имеют одинаковые знаки.

Искажение возникает при неравномерном облучении компонента, и особенно если он сильно сжат и его расширение затруднено. Материал будет расширяться вследствие тепловой нагрузки, и, если она неравномерная, компонент будет изгибаться или на нем образуется линза, что приведет к изменению формы оптической поверхности. Кроме того, в случае пропускающих компонентов существует вероятность того, что температурная зависимость показателя преломления материала приведет к эффекту тепловой линзы. В целом неравномерное расширение приводит к изменению фокусирующих свойств компонента. В случае нелинейных абсорбирующих окон и зеркал (например, Ge, ZnS и ZnSe, используемые с инфракрасными пучками) обнаружено, что рассмотренные эффекты оказывают значительное влияние на расходимость прошедшего пучка. В случае плоских отражающих интерферометрических компонентов наблюдалось образование выпуклой поверхности. На практике даже незначительное искажение лазерных компонентов приводит к изменениям расходимости и коэффициента распространения лазерного пучка, а также к потере выходной мощности излучения лазера.

Напряжение в кристаллических компонентах приводит к индуцированному двулучепреломлению и, таким образом, к изменениям свойств пропускания/отражения, в результате чего образуются флюктуации в выходных характеристиках системы. Даже однородные материалы могут демонстрировать двулучепреломление в случае неравномерной тепловой нагрузки и крепления компонента, затрудняющего расширение материала. Выходная мощность лазера с оптически тонкими лазерными стержнями с накачкой импульсной лампой в непосредственной близости со стержнем или в эллиптическом квантроне обусловлена индуцированным двулучепреломлением с круговой симметрией. Изменения в двулучепреломлении обычно приводят к изменениям пропускания лазерного луча через систему, особенно если в последовательности пучков имеются элементы, чувствительные к поляризации.

Деформация, вызванная нагревом в результате неравномерного облучения, может возникнуть даже в случае свободно установленных компонентов. Однако большую часть оптических компонентов монтируют на держателе, который используют для контроля углового положения компонента. Если данный крепеж препятствует относительному расширению, это приведет к возрастающей деформации компонента при его облучении. Когда деформация достигнет предела упругости, на компоненте образуются трещины. Возможно, это одна из главных причин чрезвычайно низких пороговых значений разрушения, вызванного лазерным излучением. В основном эффект обнаруживают в лазерных системах с высокой частотой повторения импульсов, длинными импульсами и непрерывным излучением. Деформация, вызванная нагревом в результате жесткого крепления компонента при монтаже и/или отсутствии зазора для теплового расширения, компонента или комбинации креплений, возможно, является наиболее значимой причиной отказа лазерных компонентов в составе оптической системы. Вызванная деформация приводит либо к образованию трещин в компоненте, либо к снижению тепловой нагрузки, при которой возникает плавление.

Эффекты, вызванные нагревом, сводятся к минимуму, если компонент удерживается свободно, и доводятся до максимума при сильном сжатии. Наведенное внутреннее напряжение материала может быть положительным или отрицательным в зависимости от относительной разности коэффициентов теплового расширения между держателем и компонентом. Поскольку этот фактор является определяющим, необходимо выполнить измерение с компонентом, установленным в держателе, при условиях, максимально приближенных к рабочим условиям системы и окружающей среды. На практике данный факт может сделать затруднительным или невозможным выполнение некоторых предлагаемых измерений. Таким образом, несмотря на то что измерение искажения является самым основным и актуальным, может потребоваться контроль изменений двулучепреломления или изменений коэффициента распространения прошедшего пучка. При этом определение изменения пороговых значений разрушения, вызванного лазерным излучением, между свободными и сжатыми компонентами, не будет обычным, т.к. данное разрушение является катастрофическим.

Все указанные эффекты приводят к сокращению срока службы компонента и/или изменению выходных характеристик лазерного излучения [1]. Они также формируют основной источник разногласий между поставщиками компонентов и изготовителями/пользователями лазерной системы. Как правило, эффекты обнаруживаются в случае лазерных систем с высокой частотой повторения импульсов, длинными импульсами и непрерывным излучением (например, технологические лазеры для сварки). Однако также наблюдалось их влияние на выходную мощность/энергию импульсных Nd:YAG-лазеров однократного действия с модулированной добротностью, работающих на 1,064 мкм, и на пропускание и отклоняющую способность плоских окон Ge под облучением короткими импульсами -лазера с излучением на длине волны 10,6 мкм.

     1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает стандартные методы измерения и оценки воздействия поглощения, вызванного лазерами, на оптические компоненты.

     2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 8.745/ISO/TR 14999-2:2005 Государственная система обеспечения единства измерений. Оптика и фотоника. Интерференционные измерения оптических элементов и систем. Часть 2. Измерения и методика оценки результатов

ГОСТ Р 58370 (ИСО 21254-2:2011) Оптика и фотоника. Лазеры и лазерное оборудование. Методы определения порога лазерного разрушения. Часть 2. Определение порогового значения

ГОСТ Р ИСО 11551 Оптика и оптические приборы. Лазеры и лазерные установки (системы). Методика измерений коэффициента поглощения лазерного излучения оптическими элементами

ГОСТ Р ИСО 12005 Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений параметров лазерных пучков. Поляризация

ГОСТ Р ИСО 11146-1 Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений ширин, углов расходимости и коэффициентов распространения лазерных пучков. Часть 1. Стигматические (гомоцентрические) и слабоастигматические пучки

ГОСТ Р ИСО 11146-2 Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений ширин, углов расходимости и коэффициентов распространения лазерных пучков. Часть 2. Астигматические пучки

ГОСТ Р ИСО/ТО 11146-3 Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений ширин, углов расходимости и коэффициентов распространения лазерных пучков. Часть 3. Собственная и геометрическая классификация лазерных пучков, специфика их распространения и методики измерений

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

     3 Поглощение

3.1 Общая информация

Поглощение является фундаментальным свойством материала и непосредственно связано с его электронной структурой и длиной волны зондирующего излучения, а поглощение пропускающих излучение материалов - с шириной запрещенной зоны. Спектральное пропускание материала схематически представлено на рисунке 1. Точное расположение и интервал разных границ поглощения зависят от структуры материала, включая примеси. Если для оптических окон используют материалы, пропускающие излучение в видимой области спектра, коэффициент поглощения незначительный и слабо изменяется при повышении температуры. У материалов, пропускающих ультрафиолетовое или инфракрасное излучение, коэффициент поглощения значительный и его влияние учитывают. Кроме того, во многих, но не во всех случаях материалы, пропускающие инфракрасное излучение, являются полупроводниками и имеют нелинейное оптическое поглощение. Так, при низких или комнатных температурах такие материалы обладают слабой поглощающей способностью, но при повышенных температурах имеют порог термического разгона. При превышении пороговой температуры коэффициент поглощения резко возрастает, а пропускная способность окна снижается. Кроме того, любая нелинейность в зоне падающего пучка проявляется в эффекте линзы, которая может существенно изменять качество пучка.

1 - электронное поглощение; 2 - край фундаментального поглощения; 3 - прозрачная область; 4 - примесное поглощение; 5 - поглощение свободными носителями; 6 - поглощение на колебаниях кристаллической решетки

Рисунок 1 - Спектральное пропускание стандартных оптических материалов

В настоящее время большинство пропускающих оптических материалов окон являются однородными. Однако на поглощение в материалах могут оказывать сильное влияние примеси, локализованные и диффузионно распределенные в объеме материала. Причины возникновения поглощения можно разделить на ряд воздействий.

3.1.1 Объемное поглощение

Интенсивность волны будет изменяться по закону Бугера и вычисляться по формуле

,                                                                    (1)

где - интенсивность волны на входе в среду.

Объемное поглощение может быть постоянным или индуцируемым. Например, поглощение в видимой области может быть вызвано поглощением ультрафиолетового излучения, образующим центры окраски (захват электронов в вакансиях отрицательно заряженных ионов). Как правило, это происходит в галогенидах (хлорид натрия и калия), а также в лазерном кристалле Nd:YAG. Последний пример является причиной, по которой многие Nd:YAG-лазеры со временем постепенно теряют выходную мощность и в связи с чем целесообразно оснащать ламповый квантрон Nd:YAG-лазера ультрафиолетовым фильтром. В большинстве случаев центры окраски могут быть уничтожены соответствующей термической обработкой.

Поглощение является функцией как электронной структуры материала, так и длины волны излучения. Если энергия фотона достаточно велика для того, чтобы преодолеть запрещенную зону между валентной зоной и зоной проводимости, возникает однофотонное поглощение. Это в большей степени зависит от длины волны зондирующего излучения и не зависит от плотности энергии (закон Бера). Двухфотонное поглощение может возникнуть при одновременном поглощении двух фотонов и в том случае, если сумма энергий превышает ширину запрещенной зоны. Данный процесс является линейно зависимым от плотности энергии при постоянной длине импульса.

Многофотонное поглощение может возникнуть при одновременном поглощении фотонов и в том случае, если сумма энергии фотонов превышает ширину запрещенной зоны. Данный процесс становится более вероятным по мере уменьшения длины импульса, но при неизменности плотности суммарной энергии. Также существует промежуточная длина поглощения, где электроны, поднятые до уровней энергии внутри запрещенной зоны, могут поглощать затем второй фотон и, таким образом, населять зону проводимости [2]. На рисунке 2 показано сравнение поглощающих свойств образцов при излучении с длиной волны 248, 193 и 157 нм. Нижняя кривая (для излучения с длиной волны 248 нм) указывает на постоянное поглощение, свидетельствующее об отсутствии двух- или трехфотонного поглощения. Для излучения с длиной волны 193 нм имеет место сильное энергозависимое поглощение, указывающее на двухфотонное поглощение; для излучения с длиной волны 157 нм - только слабое двухфотонное поглощение, т.к. суммарная энергия двух фотонов превышает уровень вакуума. Однако линейное поглощение при излучении с длиной волны 157 нм приблизительно в три раза выше, чем при излучении с длиной волны 193 нм. Как видно на рисунке 2, на котором приведены данные, полученные для двух разных образцов, поглощение существенно зависит от образцов. Это подтверждается измерениями, результат которых представлен на рисунке 3 графиком зависимости нелинейного поглощения разных образцов относительно их линейного поглощения .

1 - образец A при излучении 193 нм; 2 - образец A при излучении 157 нм; 3 - образец B при излучении 157 нм; 4 - образец B при излучении 193 нм; 5 - образец при излучении 248 нм

Рисунок 2 - Сравнение коэффициента поглощения в зависимости от энергии импульса и длины волны для двух разных образцов