この規格 プレビューページの目次
※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。
序文
ISO (国際標準化機構) は、各国の標準化団体 (ISO メンバー団体) の世界的な連合です。国際規格の作成作業は、通常、ISO 技術委員会を通じて行われます。技術委員会が設立された主題に関心のある各会員団体は、その委員会に代表される権利を有します。 ISOと連携して、政府および非政府の国際機関もこの作業に参加しています。 ISO は、電気技術の標準化に関するすべての問題について、国際電気標準会議 (IEC) と緊密に協力しています。
国際規格は、ISO/IEC 指令のPart 2 部で規定されている規則に従って作成されます。
技術委員会の主な任務は、国際規格を準備することです。技術委員会によって採択されたドラフト国際規格は、投票のためにメンバー団体に配布されます。国際規格として発行するには、投票するメンバー団体の少なくとも 75% による承認が必要です。
このドキュメントの要素の一部が特許権の対象となる可能性があることに注意してください。 ISO は、そのような特許権の一部または全部を特定する責任を負わないものとします。
ISO 15367-2 は、技術委員会 ISO/TC 172, 光学およびフォトニクス、小委員会 SC 9, 電気光学システムによって作成されました。
ISO 15367 は、レーザーおよびレーザー関連機器 — レーザー ビームの波面の形状を決定するための試験方法という一般的なタイトルの下に、次の部分で構成されています。
- Part 1: 用語と基本的な側面
- Part 2: シャックハルトマン センサー
序章
ビーム伝搬挙動の特性評価は、レーザー システム開発と産業用レーザー アプリケーションの両方の多くの分野で必要です。たとえば、共振器またはビーム送達光学系の設計は、放射される放射の方向分布に関する詳細かつ定量的な情報に強く依存しています。レーザービームの波面のオンライン記録は、適応光学と組み合わせてビームの集束性の最適化も実現できます。その他の関連分野は、熱レンズ効果の監視と可能な低減、オンライン共振器調整、レーザーの安全性に関する考慮事項、またはゼルニケ解析を含む光学系の「波長」試験です。
レーザー ビームの伝搬に関連する 4 つのパラメーター セットがあります。
- 電力 (エネルギー) 密度分布 (ISO 13694);
- ビーム幅、発散角、ビーム伝搬比 (ISO 11146-1 および ISO 11146-2);
- 波面 (位相) 分布 (ISO 15367-1 および ISO 15367 のこの部分);
- 空間ビーム コヒーレンス (現在利用できる標準はありません)
一般に、完全な特性評価には、少なくとも 1 つの横断面における相互コヒーレンス関数またはスペクトル密度関数の知識が必要です。これらの分布の決定は可能ですが、実験の労力は大きく、これらの量を測定できる商用機器はまだ利用できません。したがって、この規格の範囲は、そのような普遍的なビームの説明には拡張されず、空間的にコヒーレントなビームの場合の位相分布に相当する波面の測定に限定されます。結果として、ビーム伝搬の正確な予測は、横方向のコヒーレンスが高い限定的なケースでのみ達成可能です。
多くの位相または波面勾配測定器は、波面または位相分布を決定することができます。これらには、ラテラル シアリング干渉計、Hartmann および Shack-Hartmann 波面センサー、およびモアレ偏向計が含まれますが、これらに限定されません。これらの機器では、波面または位相のいずれかの勾配が測定され、そこから 2 次元の位相分布が再構築されます。
このドキュメントでは、完全コヒーレント ビームと部分コヒーレント ビームの両方の波面を測定できるため、Hartmann および Shack-Hartmann 波面センサーのみを詳細に検討します。かなりの数のそのような器具が市販されています。
ハルトマン法の主な利点は次のとおりです。
- 広いダイナミックレンジ、
- 高い光学効率、
- 部分的にコヒーレントなビームへの適合性、
- スペクトル純度の要件なし、
- 位相角の 2π 増分に関してあいまいさはありません。
- 一度の測定で波面を取得/解析できます。
自己参照型干渉計など、位相または波面を直接測定できる機器は、ISO 15367 のこの部分の範囲外です。
1 スコープ
ISO 15367 のこのパートでは、Hartmann または Shack-Hartmann 波面センサーを使用して、レーザー ビームの横断面における波面分布関数を測定および評価する方法を指定しています。 ISO 15367 のこの部分は、パルス動作と連続動作の両方で、完全コヒーレント、部分コヒーレント、および一般的な非点収差レーザー ビームに適用されます。
さらに、2 次元波面分布の帯状再構成とモード再構成の両方に対する信頼性の高い数値的方法とその不確実性について説明します。波面分布の知識により、ISO 15367-1 で定義されているいくつかの波面パラメーターを決定できます。
2 参考文献
本書の適用には、以下の参考文献が不可欠です。日付のある参考文献については、引用された版のみが適用されます。日付のない参照については、参照文書の最新版 (修正を含む) が適用されます。
- ISO 11145, 光学および光学機器 — レーザーおよびレーザー関連機器 — 用語および記号
- ISO 13694, 光学および光学機器 — レーザーおよびレーザー関連機器 — レーザービーム出力 (エネルギー) 密度分布の試験方法
- ISO 15367-1:2003, レーザーおよびレーザー関連機器 — レーザー ビームの波面の形状を決定するためのテスト方法 — Part 1: 用語と基本的側面
3 用語と定義
このドキュメントの目的のために、ISO 11145 および ISO 15367-1 に記載されている用語と定義、および以下が適用されます。
3.1
配列要素の間隔
dydx
隣接するピンホールまたは小型レンズの中心間のxおよびy方向の距離
3.2
サブアパーチャ スクリーンから検出器までの間隔
LH
サブアパーチャ スクリーン (レンズレット アレイまたはハルトマン スクリーン) から検出器アレイまでの間隔
注記 1:シャックハルトマン センサーの場合、これはレンズレットの焦点距離に設定されることがよくあります。
3.3
レンズレットの焦点距離
f
シャックハルトマンセンサー用レンズレットの焦点距離
3.4
サブアパーチャ幅
sd
それぞれ、ハルトマン スクリーンのピンホールまたはシャックハルトマン アレイのレンズレットの開口幅
3.5
角度ダイナミックレンジ
βマックス
Hartmann または Shack-Hartmann センサーの最大使用角度範囲
3.6
波面測定の再現性
w、実効値
どこ
| n | は測定数です。 |
| k | 取得したサンプル数です。 |
3.7
波面測定精度
w、実効値
どこ
| n | は、傾きθx , nおよびθy , nが適用された波面のn番目の測定値です。 |
| k | 取得したサンプル数です。 |
| w、 n | は次のように傾き補正された波面です。 |
| wtc, n ( x , y ) = wn ( x , y ) − θx , nx − θy, ny |
注記 1: ISO 15367-1:2003 の 3.4.7 も参照。
参考文献
| [1] | ボルン、M. およびウルフ、E.オプティクスの原則、第 7 版、ケンブリッジ大学。プレス、1999 年、pp. 523-525 および pp. 905-910 |
| [2] | タイソン、適応光学の RK 原則、第 2 版、アカデミック プレス、1998 年 |
| [3] | Vetterling 、WT Teukolsky 、SA Press 、WH Flannery 、BP C の数値レシピ、第 2 版、Cambridge University Press, 1992 年 |
| [4] | ISO 9334, 光学および光学機器 — 光伝達関数 — 定義と数学的関係 |
| [5] | IEC 61040, レーザー放射用の電力およびエネルギー測定検出器、機器および機器 |
| [6] | ISO 10110-5, 光学および光学機器 — 光学要素およびシステムの図面の作成 — Part 5: 表面形状公差 |
| [7] | ISO 11146-1, レーザーおよびレーザー関連機器 — レーザー ビーム幅、発散角、およびビーム伝搬比の試験方法 — Part 1: 非点収差ビームおよび単純非点ビーム |
| [8] | ISO 11146-2, レーザーおよびレーザー関連機器 — レーザー ビーム幅、発散角、およびビーム伝搬比の試験方法 — Part 2: 一般的な乱視ビーム |
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 15367-2 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee SC 9, Electro-optical systems.
ISO 15367 consists of the following parts, under the general title Lasers and laser-related equipment — Test methods for determination of the shape of a laser beam wavefront:
- Part 1: Terminology and fundamental aspects
- Part 2: Shack-Hartmann sensors
Introduction
Characterization of the beam propagation behaviour is necessary in many areas of both laser system development and industrial laser applications. For example, the design of resonator or beam delivery optics strongly relies on detailed and quantitative information over the directional distribution of the emitted radiation. On-line recording of the laser beam wavefront can also accomplish an optimization of the beam focusability in combination with adaptive optics. Other relevant areas are the monitoring and possible reduction of thermal lensing effects, on-line resonator adjustment, laser safety considerations, or “at wavelength” testing of optics including Zernike analysis.
There are four sets of parameters that are relevant for the laser beam propagation:
- power (energy) density distribution (ISO 13694);
- beam widths, divergence angles and beam propagation ratios (ISO 11146-1 and ISO 11146-2);
- wavefront (phase) distribution (ISO 15367-1 and this part of ISO 15367);
- spatial beam coherence (no current standard available).
In general, a complete characterization requires the knowledge of the mutual coherence function or spectral density function, at least in one transverse plane. Although the determination of those distributions is possible, the experimental effort is large and commercial instruments capable of measuring these quantities are still not available. Hence, the scope of this standard does not extend to such a universal beam description but is limited to the measurement of the wavefront, which is equivalent to the phase distribution in case of spatially coherent beams. As a consequence, an exact prediction of beam propagation is achievable only in the limiting case of high lateral coherence.
A number of phase or wavefront gradient measuring instruments are capable of determining the wavefront or phase distribution. These include, but are not limited to, the lateral shearing interferometer, the Hartmann and Shack-Hartmann wavefront sensor, and the Moiré deflectometer. In these instruments, the gradients of either wavefront or phase are measured, from which the two-dimensional phase distribution can be reconstructed.
In this document, only Hartmann and Shack-Hartmann wavefront sensors are considered in detail, as they are able to measure the wavefront of both fully coherent and partially coherent beams. A considerable number of such instruments are commercially available.
The main advantages of the Hartmann technique are
- wide dynamic range,
- high optical efficiency,
- suitability for partially coherent beams,
- no requirement of spectral purity,
- no ambiguity with respect to 2π increment in phase angle,
- wavefronts can be acquired/analysed in a single measurement.
Instruments which are capable of direct phase or wavefront measurement, as, e.g. self-referencing interferometers, are outside the scope of this part of ISO 15367.
1 Scope
This part of ISO 15367 specifies methods for measurement and evaluation of the wavefront distribution function in a transverse plane of a laser beam utilizing Hartmann or Shack-Hartmann wavefront sensors. This part of ISO 15367 is applicable to fully coherent, partially coherent and general astigmatic laser beams, both for pulsed and continuous operation.
Furthermore, reliable numerical methods for both zonal and modal reconstruction of the two-dimensional wavefront distribution together with their uncertainty are described. The knowledge of the wavefront distribution enables the determination of several wavefront parameters that are defined in ISO 15367-1.
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 13694, Optics and optical instruments — Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam power (energy) density distribution
- ISO 15367-1:2003, Lasers and laser-related equipment — Test methods for determination of the shape of a laser beam wavefront — Part 1: Terminology and fundamental aspects
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 11145 and ISO 15367-1 as well as the following apply.
3.1
array element spacing
dx , dy
distance between the centres of adjacent pinholes or lenslets in x and y direction
3.2
sub-aperture screen to detector spacing
LH
spacing of the sub-aperture screen (lenslet array or Hartmann screen) to the detector array
Note 1 to entry: For Shack-Hartmann sensors this is often set to the lenslet focal length.
3.3
lenslet focal length
f
focal length of the lenslets for a Shack-Hartmann sensor
3.4
sub-aperture width
ds
aperture width of the pinholes of a Hartmann screen or lenslets of a Shack-Hartmann array, respectively
3.5
angular dynamic range
βmax
maximum usable angular range of Hartmann or Shack-Hartmann sensors
3.6
wavefront measurement repeatability
wr,rms
where
| n | is the number of the measurement; |
| k | is the number of samples taken; |
3.7
wavefront measurement accuracy
wa,rms
where
| n | is the n th measurement of the wavefront with tilt θx , n and θy , n applied; |
| k | is the number of samples taken; |
| wtc, n | is the tilt-corrected wavefront as follows: |
| wtc,n (x,y) = wn (x,y) − θx,nx − θy,ny |
Note 1 to entry: See also ISO 15367-1:2003, 3.4.7.
Bibliography
| [1] | Born, M. and Wolf, E. Principles of Optics, 7th ed., Cambridge Univ. Press, 1999, pp. 523-525 and pp. 905-910 |
| [2] | Tyson, R.K. Principles of Adaptive Optics, 2nd ed., Academic Press, 1998 |
| [3] | Vetterling, W.T. Teukolsky, S.A. Press, W.H. Flannery, B.P. Numerical Recipes in C, 2nd ed., Cambridge University Press, 1992 |
| [4] | ISO 9334, Optics and optical instruments — Optical transfer function — Definitions and mathematical relationships |
| [5] | IEC 61040, Power and energy measuring detectors, instruments and equipment for laser radiation |
| [6] | ISO 10110-5, Optics and optical instruments — Preparation of drawings for optical elements and systems — Part 5: Surface form tolerances |
| [7] | ISO 11146-1, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios — Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams |
| [8] | ISO 11146-2, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios — Part 2: General astigmatic beams |