ICS31.260GB/T38245—2019激光光學(xué)元件吸收率測試方法(ISO11551:2003,MOD)國家市場監(jiān)督管理總局中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會IGB/T38245—2019 Ⅲ 1 13術(shù)語和定義 14符號和度量單位 1 26測試原理 3 48計算方法 59測試報告 7附錄A(資料性附錄)影響吸收率測試的因素 9附錄B(資料性附錄)信號失真的影響 附錄C(資料性附錄)溫度數(shù)據(jù)參數(shù)算法 ⅢGB/T38245—2019本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)使用重新起草法修改采用ISO11551:2003《光學(xué)和光學(xué)儀器激光器和激光相關(guān)設(shè)備激本標(biāo)準(zhǔn)與ISO11551:2003相比存在結(jié)構(gòu)變化，將第5章中的圖移到第6章，增加6.1測試原理圖；原第5章分為5.1測試環(huán)境、5.2測試光源和5.3測試樣品。本標(biāo)準(zhǔn)與ISO11551:2003的技術(shù)性差異及其原因如下：●用等效采用國際標(biāo)準(zhǔn)的GB/T3102.6代替了ISO31-6:1992;●用修改采用國際標(biāo)準(zhǔn)的GB/T15313代替了ISO11145:2001?！?中增加了脈沖能量和重復(fù)頻率的符號和單位(見第4章)。本標(biāo)準(zhǔn)由中國機械工業(yè)聯(lián)合會提出。本標(biāo)準(zhǔn)由全國光學(xué)和光子學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC103)歸口。1GB/T38245—2019光學(xué)和光學(xué)儀器激光器和激光相關(guān)設(shè)備激光光學(xué)元件吸收率測試方法本標(biāo)準(zhǔn)適用于激光光學(xué)元件吸收率的測試。下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改GB/T3102.6光及有關(guān)電磁輻射的量和單位(GB/T3102.6—1993,eqvISO31-6:1992)GB/T15313激光術(shù)語(GB/T15313—2008,ISO11145:2006,MOD)GB/T25915.1—2010潔凈室及相關(guān)受控環(huán)境第1部分：空氣潔凈度等級(ISO14644-1:1999,IDT)GB/T3102.6和GB/T15313界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。吸收輻射通量與入射輻射通量的比值。注：本標(biāo)準(zhǔn)所定義的吸收率僅限于能量轉(zhuǎn)化為熱的吸收過程。對于某些光學(xué)和輻射類型，額外的非熱過程可能導(dǎo)熱損失系數(shù)thermallosscoefficient單位時間內(nèi)的熱損失程度。光陷阱beamstop用于收集測試樣品剩余反射或透射激光輻照的裝置。下列符號適用于本文件。(見表1給出的符號、定義和度量單位)2GB/T38245—2019符號定義單位C測試樣品、樣品夾持器等的熱容測試樣品上的光束寬度mm測試樣品、夾具等的質(zhì)量P連續(xù)功率WPav平均功率WPpk峰值功率W輻照時間s間隔時間sTamb環(huán)境溫度K溫差Kα吸收率1β入射角radY熱損失系數(shù)λ波長Q脈沖能量Jf重復(fù)頻率Hz5測試條件5.1測試環(huán)境測試間的環(huán)境應(yīng)保持空氣過濾、無塵的潔凈度要求，且相對濕度小于50%。殘留的塵埃應(yīng)按照GB/T25915.1—2010中定義的7級潔凈度要求執(zhí)行。為了保證盡可能減少熱擾動和對流造成的熱損5.2測試光源測試中應(yīng)使用激光作為輻照光源。為了減少誤差，所用激光的功率在保證不使元件損傷的前提下要盡可能高。用于測試的激光波長、入射角和偏振態(tài)應(yīng)與測試樣品的使用條件相一致。在測試樣品的使用波長、5.3測試樣品測試樣品應(yīng)放在適當(dāng)?shù)臉悠穵A持器內(nèi)。溫度傳感器應(yīng)直接與樣品表面或與樣品夾持器相連接。傳感器和樣品之間或樣品夾持器和樣品之間應(yīng)達(dá)到良好的熱接觸。應(yīng)采取預(yù)防措施，以避免溫度傳感器和測試樣品間的熱傳導(dǎo)下降。為了提高測試精度，測試樣品應(yīng)安裝在具有熱屏蔽設(shè)計的并帶有激3GB/T38245—2019光不會打到樣品夾持器和測試艙室壁上。光路中的光學(xué)元件的數(shù)量應(yīng)盡可能少，以減少因多次反射或6.1測試原理圖單元及數(shù)據(jù)處理單元等。圖1為吸收率測試裝置示意圖，圖中1為激光器，激光器發(fā)出的激光經(jīng)2(反射鏡)和4(分光鏡)輻照到7(測試樣品)上。7(測試樣品)、6(樣品夾持器)及10(溫度傳感器)置于5(測試艙室)內(nèi)。激光輻照時間和溫度測試由11(控制單元)和8(計算機)控制及測試，激光功率由12(激光功率計)在照射樣品前后測試。7(測試樣品)反射和透射的激光由9(光陷阱)收集。2——反射鏡；4——分光鏡；5——測試艙室；6樣品夾持器；圖1吸收率測試裝置示意圖6.2激光輻照的典型特征用于表征測試激光輻照的典型特征的物理量包括：4GB/T38245—2019——連續(xù)功率P或平均功率Pav;——峰值功率Pk、脈沖能量Q和重復(fù)頻率f;——照射時間ts。7.2校準(zhǔn)測量前在測試樣品(圖1中7)前和分光鏡(圖1中4)后的位置各放置一個校準(zhǔn)過的激光功率計來考樣品及樣品夾持器在測試光路外，將校準(zhǔn)過的溫度傳感器分別固定在測試樣品和參考樣品上進行溫度信號這種情況下，應(yīng)確定修正系數(shù)f.,以補償對吸收率測試結(jié)果的影響根據(jù)吸收率測試的計算方法，可以通過已知吸收率α的測試樣品，按式(2)或式(5),解出修正系數(shù)fe。注1:已知的吸收率可以通過在測試樣品表面區(qū)域鍍一層薄的高吸收率的膜層得到。高吸收率值可以通過有足夠注2:一個代替激光光束照射來校準(zhǔn)已知吸收率的測試樣品的方法是在測試樣品表面加裝一個電阻，通電產(chǎn)生熱能沉積。吸收的功率可以通過RI2得到，R是電阻，I是電流。宜保證電阻和測試樣品之間良好的熱接觸。如為獲得最佳測試精度和抑制可能的信號失真(關(guān)于信號失真的影響參見附錄B),應(yīng)優(yōu)化激光光束5GB/T38245—2019的成像和對準(zhǔn)?？捎靡粋€空的樣品夾持器或無吸收的測試樣品來驗證測試裝置不受反射光或雜散光輻射的影響。測試間隔期間的溫度波動幅度應(yīng)至少比吸收率測試期間的溫升低一個數(shù)量級。7.3吸收率測試光學(xué)元件的吸收率按圖1所示的測試裝置進行測試。測試開始前，應(yīng)建立熱平衡狀態(tài)，使非線性溫度漂移和溫度噪聲至少比由輻照引起的最高溫升低一個數(shù)量級。測試期間的最高溫升不應(yīng)超過幾K。如吸收率取決于輻照功率、能量密度或測試樣品的溫度，應(yīng)在測試報告中注明。測試條件應(yīng)與元件預(yù)期的使用條件一致。測試分三個連續(xù)的時間區(qū)間進行：——輻照前區(qū)間[to,t?](至少30s);——輻照加熱區(qū)間[t?,t?](ts=t?-t?=5s～300s),在此期間開啟激光束輻照到測試樣品表面；——冷卻區(qū)間，至少200s。對于熱損耗較大的測試樣品，吸收功率和熱損失的平衡，在溫升飽和前，激光輻照應(yīng)結(jié)束。在測試時應(yīng)記錄樣品的溫度信號T(t)和激光功率信號P(t)。將量熱數(shù)據(jù)集[tg,T(ta)]和[tk,P(t)]存儲，用于吸收率的計算。8計算方法在輻照過程中加熱部件(測試樣品、樣品夾持器等)的質(zhì)量m?通過稱量來確定。熱容從相關(guān)材料熱容表中獲得?？捎脙煞N方法計算吸收率：指數(shù)法或脈沖法。一般情況下，脈沖法適用于激光輻照時間最長至120s,指數(shù)法適用于輻照時間最少60s。哪種方法更好取決于測試樣品的性能和測試環(huán)境(溫度數(shù)據(jù)計算方法參見附錄C)。8.2溫度漂移的消除在計算吸收率之前，應(yīng)根據(jù)可能出現(xiàn)的溫度漂移現(xiàn)象對量熱數(shù)據(jù)進行分析。在存在溫度漂移情況下，對輻照前采集的溫度數(shù)據(jù)進行線性擬合。通過從測試中記錄的原始溫度數(shù)據(jù)中減去外推擬合值，消除了由此產(chǎn)生的線性擬合函數(shù)所描述的近似溫度漂移影響。8.3指數(shù)法通過式(1)來擬合輻照間隔期內(nèi)(元件加熱區(qū)間)的溫度數(shù)據(jù)[t,T(ta)]來確定參數(shù)An,B?,Yn:通過式(2)計算吸收率：…………如是脈沖激光，式(2)中用PAv代替P。指數(shù)法計算示例如圖2所示。6溫度/溫度/mK200002說明：1——擬合曲線；2相對溫度。時間/s圖2指數(shù)法測試示例8.4脈沖法測試樣品輻照后的溫度衰減曲線應(yīng)以圖形方式外推至(t?+ts)/2(輻照加熱區(qū)間中間處),測量外推溫度Tx。該圖形外推應(yīng)基于A。,B。,γ。三個參數(shù)對輻照后記錄的負(fù)斜率溫度數(shù)據(jù)進行最佳擬合的計算結(jié)果。由式(3)得到三個參數(shù)通過擬合輻照后溫度衰減過程(△T/△t<0)的數(shù)據(jù)表。溫度Tex的計算見式(4):吸收率測得計算見式(5):如是脈沖激光，式(5)中用PAv代替P。脈沖法計算示例如圖3所示。0.5Yetg/sinh(Ytg/2)當(dāng)0.5≤Y.tg≤2時，0.5Y.tg/sinh(Y.tg/2)可以近似地計算為(1-y.2tg2/24)。7GB/T38245—2019溫度/mK溫度/mK0300400500600B時間/sa)通用信息：1)測試按照GB/T38245—2019執(zhí)行；2)測試日期；3)測試機構(gòu)名稱地址；b)有關(guān)測試樣品的信息：2)測試樣品制造商；5)測試樣品使用說明。c)關(guān)于實驗設(shè)備的信息： 2)其他相關(guān)測試設(shè)備描述。2)運行模式(連續(xù)/脈沖);8GB/T38245—20199GB/T38245—2019(資料性附錄)A.1概述素。以下機制對吸收率的測試會有影響。一定的輻照劑量會發(fā)生吸收飽和。一些色心可以通過加熱元件退火來降低吸收。對于鍍膜元件，高功率輻照會造成膜層結(jié)構(gòu)性變化(如后氧化作用)。這會導(dǎo)致吸收率的提高或樣品的歷史數(shù)據(jù)情況(之前的輻照周期參數(shù)等)。A.3非線性吸收取決于輻照的波長，尤其是紫外波段。對于超短脈沖，還可能影響對可見和近紅外波段范圍的吸收率。增加。如已知非線性吸收對測試樣品的吸收率有顯著影響，則宜測定各種功率密度下的吸收率。對獲得的吸收率數(shù)據(jù)和相應(yīng)的功率密度進行線性擬合。線性吸收率由縱坐標(biāo)的截距給出，非線性吸收由線性A.4影響吸收率值測試的其他因素需要考慮以下影響測試樣品吸收率測試的因素：——測試樣品表面清潔不干凈會增加吸收。GB/T38245—2019(資料性附錄)信號失真的影響B(tài).1溫度測試分辨率的影響需要確保溫度升高的幅度比溫度測試分辨率高很多。B.2散射的影響由測試元件本身或膜層發(fā)出的散射輻射會照射到溫度傳感器上，要注意把這種散射輻射與來自于光路系統(tǒng)其他元件形成的散射輻射區(qū)分開，這點對于紫外波段尤為重要。B.3樣品低熱導(dǎo)率的影響本標(biāo)準(zhǔn)給出的吸收率測試方法是建立在一個基礎(chǔ)物理模型上，該模型假設(shè)測試樣品和夾具總是有很小的溫升，而且具有均勻的溫度T.。在這樣的系統(tǒng)下的溫度動力學(xué)可用式(B.1)、式(B.2)、式(B.3)微分方程來描述?！?B.1)該微分方程的解T(t)可由下列指數(shù)方程給出。輻射過程中………………(B.2)C有效熱容，即測試樣品和夾具熱容之和，單位為焦每千克開(J/kg·K)。如果激光光學(xué)元件由低熱導(dǎo)率材料組成，測試吸收率時的溫度動力學(xué)不能用這種簡單的溫度均勻分布模型來精確描述。因此，需要使用下列考慮了有限熱傳導(dǎo)效應(yīng)的三維熱傳導(dǎo)方程式(B.4)來描述。▽(k/Cp▽T)+Q(x,y,z)/Cp=ηT…………(B.4)k——熱導(dǎo)率，單位為瓦每開厘米[W/(K·cm)];Q——熱源，單位為瓦每立方厘米(W/cm3);η——密度，單位為克每立方厘米(g/cm3)。樣品表面的邊界條件由熱對流和輻照損耗以及連接到支架和溫度傳感器的熱電偶決定的。圖B.1說明激光量熱技術(shù)的有限熱傳導(dǎo)效果。對于一個薄的圓柱形測試樣品(吸收率：1,厚度：3mm,直徑：25mm),模擬了其熱擴散系數(shù)在一定范圍變化及溫度傳感器位于徑向不同位置的溫度信號。假設(shè)光束的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樣品的直徑。圖B.1展示了同一擴散系數(shù)和溫度傳感器位于不同的徑向位置計算出的溫度狀況。為了便于比較，無限熱傳導(dǎo)系數(shù)的溫度曲線也在圖中表示出來(0D模型)。GB/T38245—2019溫度/K溫度/K時間/s1——r=6mm;2——r=7mm;3——0D模型； =9mm; 圖B.1溫度信號和熱傳感器位置的依賴性對不同的熱導(dǎo)熱容比的情況做進一步的理論模擬計算。圖B.2是從模擬數(shù)據(jù)得到的吸收率。吸收率結(jié)果以與無限熱導(dǎo)率模型計算得到理論吸收率的比值的形式給出。GB/T3824