GB/T 35118-2017 掺铒钇铝石榴石激光晶体光学性能测量方法

　　ICS 3 1 . 260 L 51

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 351 18—2017

　　掺铒钇铝石榴石激光晶体光学性能

　　测量方法

　　TestmethodsofopticalperformanceforErbium-doped

　　yttrium Aluminum Garnetlasercrystal

　　2017-12-29 发布 2018-07-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 351 18—20 17

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由中国机械工业联合会提出。

　　本标准由全国光辐射安全和激光设备标准化技术委员会(SCA/TC 284)归口 。

　　本标准起草单位：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、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。

　　本标准主要起草人：朱建慧、王永国、孙殿中、黄永忠、吴少凡、戚燕。

　　GB/T 351 18—20 17

　　掺铒钇铝石榴石激光晶体光学性能

　　测量方法

　　1 范围

　　本标准规定了掺铒钇铝石榴石激光晶体(Er3+ : Y3 Al5 O12 ,以下简称 Er: YAG 激光晶体)光学性能

　　的测量条件、测量方法、测量步骤等。

　　本标准适用于掺铒钇铝石榴石激光晶体，掺铒玻璃、掺铒陶瓷等类似材料可参照执行。

　　2 规范性引用文件

　　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 1185—2006 光学零件表面疵病

　　GB/T 11293—1989 固体激光材料名词术语

　　GB/T 11297 . 1—2002 激光棒波前畸变的测量方法

　　GB/T 27661—2011 激光棒单程损耗系数的测量方法

　　JY/T 015—1996 感耦等离子体原子发射光谱方法通则

　　3 术语和定义

　　GB/T 11293—1989 界定的术语和定义适用于本文件。

　　4 要求

　　4 . 1 测试条件

　　4 . 1 . 1 环境要求

　　测量时环境应满足下面要求：

　　a) 温度：22 ℃ ± 5 ℃ ;

　　b) 测试期间温度波动：≤1 ℃ ;

　　c) 相对湿度：≤85% ;

　　d) 无明显的振动、气流、烟尘及电磁干扰。

　　4 . 1 . 2 安全要求

　　测量时应按 GB 7247 . 1 的要求采取激光安全防护措施。

　　4 . 2 被测 Er：YAG激光晶体要求

　　除特殊要求外，Er: YAG激光晶体应满足以下要求：

　　GB/T 351 18—20 17

　　a) 两端面平行度(平面/平面)应不大于 30″;

　　b ) 端面对棒轴垂直度应不大于 5 ′;

　　c) 端面表面疵病质量根据 GB/T 1185—2006,应符合：麻点 B/0.8D0 ×0.05;划痕 C/2D0 × 0.01。 (D0为 Er: YAG激光晶体直径，单位为 mm) ;

　　d) 端面应清洁，无影响测量的灰尘和挡光污渍;

　　e) Er: YAG激光晶体浓度测量选取晶坯等径部分。

　　5 测量方法

　　5 . 1 消光比测量方法

　　5 . 1 . 1 测量原理

　　消光比测量系统组成如图 1 所示：

　　说明：

　　1 — 激光器;

　　2 — 扩束器;

　　3 — 起偏器;

　　4 — 可调光阑;

　　5 — 被测 Er: YAG激光晶体;

　　6 — 检偏器;

　　7 — 窄带滤波片;

　　8 — 探测器;

　　9 — 显示仪器。

　　图 1 消光比测试原理图

　　将 Er: YAG激光晶体放置在两平行偏光镜间和两正交偏光镜间，测试光从 Er: YAG激光晶体一端入射，在 Er: YAG 激光晶体另一端出射。先调整检偏器至刻度 90 度，然后微调检偏器，观察探测器显示数值，当显示数值最小时，此时为正交偏光状态，显示数值最小值为光强度 I丄;再旋转检偏器至刻度

　　0 度，然后微调检偏器，观察探测器显示数值，当显示数值最大时，此时为平行偏光状态，显示数值最大

　　值为光强度 I//，通过式(1)计算消光比：

　　Ex …………………………( 1 )

　　式中：

　　Ex — 消光比，单位为分贝(dB) ;

　　GB/T 351 18—20 17

　　I丄 — 在正交偏光状态下输出的光强值;

　　I//— 在平行偏光状态下输出的光强值。

　　注：显示仪器的显示值与光强值为线性关系，可以用电压、电流或功率表示，单位相应为 mV、mA或 mW。

　　5 . 1 . 2 测量装置

　　测量装置应符合以下要求：

　　a) 激光器的波长为 1.064 μm,连续输出;

　　b) 激光光源功率 5 mW~10 mW,功率不稳定度应小于或等于 1.0% ;

　　c) 入射激光发散角小于或等于 2.0 毫弧度;

　　d) 探测器用光敏元件，应在线性区工作，探测器有效面积直径大于或等于 10 mm;

　　e) 系统消光比(未放入 Er: YAG激光晶体时，光束直径为被测 Er: YAG 激光晶体直径的 80%~ 90%时)应不小于 40 dB。

　　5 . 1 . 3 测量步骤

　　按以下测量步骤进行测量：

　　a) 打开 1.064 μm 激光器，预热 20 min 以上，使输出光强达到稳定度要求;

　　b) 将被测 Er: YAG激光晶体放入光路中，使光束正入射 Er: YAG激光晶体中心;

　　c) 调整光阑，使光束直径为被测 Er: YAG激光晶体直径的 80%~90% ;

　　d) 取下被测 Er: YAG激光晶体，调整检偏器至刻度 90 度时为正交偏光状态，然后微调检偏器，观察探测器显示数值，当显示数值最小时，记录测试透射光强 I丄;

　　e) 旋转检偏器至刻度 0 度，使系统为平行偏光状态，然后微调检偏器，观察探测器显示数值，当显示数值最大时，测量并记录此时透射光强I//，根据式(1)计算系统消光比，当系统消光比 ≥40 dB,则可以进行 Er: YAG激光晶体测量;

　　f) 旋转检偏器至刻度 90 度，然后微调检偏器，观察探测器显示数值，当显示数值最小时，再将被测 Er: YAG 激光晶体放入光路中，并旋转 Er: YAG 激光晶体，测量并记录透射光强最大值 I丄 ′;

　　g) 再旋转检偏器至刻度 0 度，然后微调检偏器，观察探测器显示数值，当显示数值最大时，测量并记录此时透射光强 I// ′;

　　h ) 计算 ：

　　将光强 I丄 、I丄′和 I//′,代入式(2) ,计算出被测 Er: YAG激光晶体的消光比值：

　　EX …………………………( 2 )

　　式中：

　　I丄,— 放置 Er: YAG激光晶体时正交偏光状态下输出光强的最大值;

　　I//,— 放置 Er: YAG激光晶体时平行偏光状态下输出的光强值。

　　5 . 2 波前畸变测量方法

　　5 . 2 . 1 测量原理

　　本方法是基于麦克尔逊(Michelson)干涉仪测试原理：一束入射光分为两束后各自被对应的平面镜

　　反射回来后产生干涉。 干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实

　　现，从而能够形成不同的干涉图样。被测 Er: YAG激光晶体的光学均匀性可用平面波前透过 Er: YAG

　　激光晶体后波前畸变的峰-谷偏差来表征。

　　波前畸变测量原理如图 2 所示。

　　GB/T 351 18—20 17

　　说明：

　　1 — 激光器;

　　2 — 扩束器;

　　3 — 分光镜;

　　4 —CCD摄像系统;

　　5 — 被测 Er: YAG激光晶体;

　　6 — 测试反射镜;

　　7 — 参考反射镜。

　　图 2 波前畸变测量原理图

　　5 . 2 . 2 测量装置

　　测量装置应符合以下要求：

　　a) 激光器的波长为 1.064 μm;

　　b) 激光功率范围 100 mW~200 mW;

　　c) 入射激光发散角小于或等于 2.0 毫弧度;

　　d) 本底波前畸变应优于或等于λ/10;

　　e) 被测 Er: YAG激光晶体放置在带两维调整机构的 V 型槽(或平台)上。

　　5 . 2 . 3 测量步骤

　　采用连续 1.064 μm 波长激光为光源的干涉仪测量，按照干涉仪操作规程，将 Er: YAG 激光晶体放置于测试光路中，按 GB/T 11297.1—2002 规定的测试步骤，测量 Er: YAG激光晶体的波前畸变数据。

　　5 . 3 散射颗粒测量方法

　　5 . 3 . 1 测量原理

　　当一束可见激光通过 Er: YAG激光晶体时，Er: YAG激光晶体内部的异质团簇会对该激光束发生反射或者散射，在 Er: YAG激光晶体侧面可观测到反射或者散射的亮点，即为散射颗粒。

　　散射颗粒测量原理如图 3 所示。

　　GB/T 351 18—20 17

　　说明：

　　1 — 激光器;

　　2 — 可调光栏;

　　3 — 被测 Er: YAG激光晶体;

　　4 — 保护屏板。

　　图 3 散射颗粒测量原理图

　　通过计算式(3) ,可得散射颗粒密度，即用散射颗粒密度来衡量 Er: YAG激光晶体内的散射颗粒。

　　D = …………………………( 3 )

　　式中：

　　D — 散射颗粒密度，单位为个每立方厘米(个/cm3 ) ;

　　n — 散射颗粒个数，单位为个;

　　V —Er: YAG激光晶体体积，单位为立方厘米(cm3 )。

　　5 . 3 . 2 测量装置

　　测量装置应符合以下要求：

　　a) 激光器的波长为红光波段，典型波长为 0.633 μm 或 0.593 μm;

　　b) 激光束连续输出功率在 5 mW~10 mW;

　　c) 入射激光发散角小于或等于 2.0 mrad。

　　5 . 3 . 3 测量步骤

　　按以下测量步骤进行测量：

　　a) 打开激光光源;

　　b) 以被测 Er: YAG激光晶体直径约 1/2 的尺寸为测量光斑孔径直径，如图 4 所示;

　　图 4 散射颗粒测量光斑与 Er：YAG激光晶体直径示意图

　　c) 将 Er: YAG激光晶体放入 V形槽内，调整 Er: YAG 激光晶体使光束正入射 Er: YAG 激光晶体内部;

　　d) 让激光光束通过 Er: YAG激光晶体靠近边缘区域，然后旋转 Er: YAG 激光晶体，从侧面观察散射亮点即为散射颗粒;

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　　e) 调整 Er: YAG激光晶体，使激光光束从另一端入射，重复 c)、d)步骤，记录散射颗粒总数量;

　　f) 根据式(3)计算单位体积的散射颗粒密度。

　　注：其他形状样品，通过适当方式移动样品，使光束扫过整个截面。

　　5 . 4 单程损耗测量方法

　　5 . 4 . 1 测量原理

　　本方法采用双光路比例测量，减少系统波动所带来的影响。

　　单程损耗测量光路图如图 5 所示。

　　说明：

　　1 —LD泵浦激光光源;

　　2 — 1/4 波片;

　　3 — 扩束镜;

　　4 — 光栏;

　　5 — 分光镜;

　　6 — 测试 Er: YAG激光晶体;

　　7 — 测试探测器 2 ;

　　8 — 显示仪器;

　　9 — 参考探测器 1 。

　　图 5 单程损耗测量光路图

　　5 . 4 . 2 测量装置

　　测量装置应符合以下要求：

　　a) 激光器的波长为 Er: YAG激光晶体预定的工作波长;

　　b) 激光输出功率在 300 mW~400 mW;

　　c) 参考探测器和测量探测器性能相同，并在线性区内工作;

　　d) 系统的波动小于或等于 0.1%cm- 1 。

　　5 . 4 . 3 测量步骤

　　采用工作波长的激光为光源，按照测量装置操作规程打开设备，将 Er: YAG 激光晶体放置于测试光路中。按 GB/T 27661—2011 规定的测试步骤，测量 Er: YAG激光晶体的单程损耗。

　　注 1：在测量 Er: YAG 激光晶体单程损耗时，Er: YAG 激光晶体两端需镀制工作波长增透膜，剩余反射率应优于

　　0.2%,尽量减少端面反射对测量结果的影响。

　　注 2：测量 Er: YAG激光晶体单程损耗时，测试环境湿度应小于 40%。

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　　5 . 5 掺杂离子浓度测量方法

　　5 . 5 . 1 测量原理

　　掺杂离子浓度的测量方法是基于电感耦合等离子体原子发射光谱分析方法进行定量分析。 原子发射光谱分析方法是利用物质在热激发或电激发下，每种元素的原子或离子发射特征光谱，检测器检测光谱中谱线的波长和强度的强弱来定量分析判断物质的组成。

　　5 . 5 . 2 测量装置

　　等离子体原子发射光谱仪需经计量检定，符合 B级以上测量要求。

　　5 . 5 . 3 测量步骤

　　按以下测量步骤进行测量：

　　a) 将被测 Er: YAG激光晶体的晶坯两端各切下一块 Er: YAG激光晶体样品，选取样品直径大于晶坯半径，质量大于 2 g,分别标记为样品 1、样品 2 ;

　　b) 根据 JY/T 015—1996 测量离子浓度方法测定 Er: YAG 激光晶体样品 1、样品 2 的铒离子浓度，以质量分数(%)表示;

　　c) 根据式(4) ,将 Er: YAG激光晶体样品 1、样品 2 的铒离子质量分数(%)转换为摩尔分数(%) :

　　犮= 狔 × 711.215 …………………………( 4 )

　　式中：

　　犮 — 晶坯测试样品掺铒离子的质量分数，% ;

　　狔—Er: YAG激光晶体掺铒离子的质量分数，%。

　　d) Er: YAG激光晶体的掺铒离子浓度为晶坯两端两个浓度测试样品掺铒离子浓度按照式(5)计

　　算出的平均值。

　　犮=犮1 犮2 …………………………( 5 )

　　式中：

　　犮 —Er: YAG激光晶体掺铒离子的摩尔分数，% ;

　　犮1 、犮2 — 分别为样品 1、样品 2 的掺铒离子的摩尔分数，%。

　　6 测量报告内容

　　6 . 1 测试基本信息

　　测试基本信息包含以下内容：

　　a) 测试单位;

　　b) 测试仪器编号及有效期;

　　c) 送检单位;

　　d) 环境条件;

　　e) 样品规格;

　　f) 测试人员;

　　g) 测试日期。

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　　6 . 2 测试结果

　　测试结果包含以下内容：

　　a) 消光比数据;

　　b ) 波前畸变数据;

　　c) 散射颗粒数据;

　　d) 单程损耗数据;

　　e) 掺杂离子浓度数据。