ISO 240132023 光学和光子学.激光和激光相关设备.偏振激光辐射用光学元件相位延迟的测量标准立项发展报告

光学和光子学激光和激光相关设备偏振激光辐射用光学元件相位延迟的测量标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Opticsandphotonics—Lasersandlaser-relatedequipment—Measurementofphaseretardationofopticalcomponentsforpolarizedlaserradiation摘要激光技术作为现代光学工程与精密制造领域的核心支撑技术，其光束质量控制直接关系到高端装备、光通信、半导体制造、生物医疗等战略性产业的性能水平。在激光系统的设计与应用中，偏振态的控制与测量是保障光束质量、提升系统稳定性的关键环节，而光学元件相位延迟的准确测量则是实现偏振控制的前提条件。然而，长期以来，相位延迟测量在术语定义、测量条件、试验方法和数据处理等方面缺乏统一的技术规范，导致不同机构、不同设备之间的测量结果存在显著差异，严重制约了激光器件性能评价的客观性与可比较性。为应对这一技术瓶颈，国际标准化组织（ISO）依托其下设的ISO/TC172/SC9“激光与激光相关设备”分技术委员会，组织全球多国专家历经系统研究与反复论证，于2023年6月正式发布了ISO24013:2023《光学和光子学激光和激光相关设备偏振激光辐射用光学元件相位延迟的测量》国际标准。该标准系统地规定了偏振激光辐射用光学元件相位延迟测量的术语体系、测试原理、测量装置要求、试验程序、数据处理方法及测量不确定度评定准则，填补了偏振光学元件相位特性国际检测标准的空白。本报告对该标准的立项背景、编制历程、关键技术内容及其行业应用价值进行了系统阐述，并重点介绍了主要起草单位中国电子科技集团公司第十一研究所的技术贡献，旨在为国内相关领域的技术人员和管理人员提供全面的标准解读与实施参考。关键词：相位延迟；偏振激光；光学元件；国际标准；ISO24013；光学测量；偏振计量；激光辐射一、引言激光技术自20世纪60年代问世以来，经过六十余年的发展，已从实验室研究工具演变为支撑现代工业与科技创新的基础性技术平台。在激光材料加工、光通信、激光雷达、精密计量、医疗美容及科学研究等众多应用场景中，激光束的偏振特性对系统性能具有决定性的影响。例如，在高功率激光加工中，偏振态直接影响材料的吸收效率与加工质量；在干涉测量与量子光学实验中，偏振态的精确控制则关乎测量精度与实验结果的可靠性。偏振激光辐射用光学元件——包括波片、偏振片、补偿器、电光晶体等——是实现偏振态产生、转换与检测的核心器件。这些元件的相位延迟特性，即正交偏振分量通过元件后所产生的相位差，是决定其功能性能的关键参数。相位延迟的测量准确度直接影响到偏振光学系统的设计水平、制造质量与使用效果。然而，由于相位延迟测量涉及复杂的光学原理与测量技术，且受波长、温度、入射角度、环境扰动等多因素影响，各国在测量方法与评价标准上长期缺乏共识，造成同类产品性能指标无法横向比较，用户选型困难，制造商的产品质量声明缺乏统一依据，国际贸易中的技术壁垒也难以消除。在此背景下，制定一项系统、科学、可操作的国际测量标准，已成为全球激光与光学工程领域的共同需求。ISO24013:2023正是在这一迫切需求驱动下应运而生的里程碑式成果。二、标准立项背景与编制历程2.1行业发展的标准化需求相位延迟测量作为偏振光学领域的核心基础测量项目，其标准化需求源于多个层面的现实驱动。首先，从技术层面看，相位延迟测量的准确性与可靠性受到测量原理、仪器配置、环境条件及数据处理方法等多重因素的共同影响。国际上普遍采用的光学测量方法包括旋转波片法（旋转检偏器法）、光调制法（含电光调制与光弹调制）、干涉法、光谱法等，各类方法在测量精度、适用范围、复杂程度与成本上各有优劣。各方法之间的测量结果如何统一、测量不确定度如何评定以及不同实验室间的比对如何实施，均需统一规范加以约束。其次，从产业层面看，全球偏振光学元件市场规模持续增长，高端激光系统对元件相位延迟指标的要求日趋严格（部分精密应用领域要求相位延迟测量不确定度优于λ/300甚至更高）。制造商与用户之间、产业链上下游之间、不同国家和地区的贸易与协作之间，迫切需要一套共同的测量技术语言与合格评定依据。再次，从国际标准体系层面看，ISO/TC172/SC9此前已先后发布了ISO11145（激光和激光相关设备基本术语与定义）、ISO11146（激光束宽度、发散角和光束传播比的测量）、ISO13694（激光功率密度分布测量）等系列标准，初步建立了激光参数测量标准体系。然而，偏振特性——尤其是相位延迟的测量——在该体系中长期处于空白状态。ISO24013的制定，正是对这一体系缺口的重要补充。2.2标准编制历程ISO24013的编制工作经历了系统而严谨的标准化程序。在标准预研阶段，ISO/TC172/SC9工作组系统梳理了当时国际上主要的相位延迟测量技术路线与研究文献，收集了各成员国在偏振元件计量测试领域的技术实践与法规要求。在此基础上，工作组明确了标准的适用范围、技术框架与关键术语体系。随后，标准草案经过多轮委员会草案（CD）和国际标准草案（DIS）阶段的意见征集与修改完善，各成员国专家就测量方法的统一性、不确定度评定的可操作性、标准适用对象的边界定义等技术细节进行了深入讨论。2022年前后，标准进入最终国际标准草案（FDIS）投票阶段，并顺利通过。最终，ISO24013:2023于2023年6月30日正式出版发布，标准语言为英语，归类于国际标准分类法（ICS）中的光电子学、激光设备类目。2.3与相关标准的关系ISO24013:2023的发布，与ISO/TC172/SC9已发布的系列标准共同构成了激光参数测量的完整标准簇。在术语定义方面，ISO24013与ISO11145形成了衔接关系，其术语体系继承了ISO11145中关于偏振与光学元件的基本定义框架。在测量方法方面，ISO24013与ISO15367（激光束波前相位测量）在测量原理上互为补充，前者关注元件本征的偏振特性参数，后者聚焦光束空间相位分布。此外，ISO24013的国际测量方法属性和适用范围也与国际激光计量领域的量值溯源体系（如国际计量局框架下的光学辐射计量比对）密切相关。三、标准主要内容与技术要点3.1标准范围与适用对象ISO24013:2023规定了偏振激光辐射用光学元件相位延迟的测量方法，适用于在激光系统中使用的各类偏振光学元件的相位延迟测量。其适用对象涵盖但不限于：多级和零级波片、液晶相位延迟器、电光调制器中的晶体元件、偏振补偿器以及其他需要在偏振设计中明确相位延迟参数的透射型光学元件。该标准适用于在激光波长范围内工作的光学元件，包括连续波和脉冲激光两种工作模式。需要说明的是，本标准的范围界定在折射型光学元件的透射式相位延迟测量，对于反射式偏振元件、偏振分光元件以及非光学类的相位调控器件（如微波段器件），标准未做具体规定，使用者需结合其他适用标准或技术规范执行。3.2术语与定义标准系统定义了相位延迟测量领域的关键术语，包括：相位延迟（phaseretardation）、快轴方向（fastaxisorientation）、偏振态（stateofpolarization）、线性偏振度（degreeoflinearpolarization）、测量波长（measurementwavelength）与参考坐标系（referencecoordinatesystem）等。上述术语的统一定义为不同测量方法之间的结果互换性和可比性奠定了概念基础。3.3测量原理与方法分类ISO24013:2023在技术内容上涵盖了多种相位延迟测量方法，并对其适用范围和操作规程做了详细规定。标准中涉及的典型测量方法包括：-旋转检偏器法：基于透过被测元件后偏振态在检偏器旋转过程中的光强变化，通过傅里叶分析提取相位延迟量。该方法适用于中等精度需求的常规检测场景。-光弹调制法：利用光弹调制器对光束偏振态进行高频调制，通过锁相放大技术提取相位延迟信号，具有测量速度快、信噪比高、实时性好等优点，适用于在线检测和动态测量场景。-补偿法（如巴比涅-索莱尔补偿器法）：通过引入已知可调相位延迟对被测元件的相位延迟进行平衡补偿，寻找消光位置获得高精度测量结果。此类方法测量精度高，适合精密计量与校准场景。-光谱法：利用宽谱光源与光谱仪相结合，通过分析透射光谱的调制特征同时获取相位延迟量与快轴方向信息，适用于宽波段元件的表征。标准对各测量方法的装置构成、光学布局、调试步骤、环境要求、采样策略以及数据处理算法给出了详尽的技术描述和推荐方案。3.4测量条件与装置要求为保证测量结果的准确性与可复现性，ISO24013:2023对测量环境和装置提出了明确要求。在环境条件方面，标准规定了温度范围、湿度限值及气流稳定性要求；在光源方面，对光源的波长稳定性、谱线宽度、功率稳定性及偏振纯度提出了量化指标；在探测器方面，则涵盖线性响应范围、噪声特性、饱和阈值与空间均匀性等内容。这些规定系统性地减少了环境与仪器因素引入的系统误差，为不同实验室间的测量结果比对提供了基础条件。3.5测量不确定度评定测量不确定度的量化评定是本标准在方法论上的一大亮点。ISO24013:2023引入ISO/IEC指南98系列（测量不确定度评定指南，GUM）中规定的测量不确定度评估框架，给出了相位延迟与快轴方向测量的不确定度传播模型，系统梳理了不确定度来源分类（A类评定与B类评定），并给出了典型装置的合成标准不确定度计算示例。这一方法论的纳入使相位延迟测量结果能够在国际计量体系下实现可溯源性评价，增强了测量的科学可信度。四、主要起草单位介绍ISO24013:2023的编制凝聚了国际标准化组织框架下多个成员国专家的集体智慧，其中，中国专家和中国技术力量在标准编制过程中作出了突出贡献。作为国内激光与光电子领域的核心科研力量，中国电子科技集团公司第十一研究所（以下简称“十一所”）深度参与了本标准的研制工作，并在关键技术研究、实验验证及标准文本编制等方面发挥了重要作用。十一所成立于1956年，是中国电子科技集团旗下从事激光与红外技术研究的专业骨干研究所，长期致力于激光器件、激光系统、光电探测与光电对抗等领域的基础研究、应用开发与装备研制工作。在偏振光学与激光计量测试方向，十一所建有国内领先的光学计量测试实验室，具备高精度偏振元件检测、激光参数计量标准建立与量值传递的技术能力。在本标准制定过程中，十一所专家团队基于本单位多年的偏振测试实践经验，重点在以下方面作出了技术贡献：其一，在测量方法验证方面，十一所搭建了多种测量原理的对比测试平台，利用标准波片等参考样品对标准草案中推荐的测量方法进行了充分的实验验证，为相关技术条款的合理性提供了数据支撑；其二，在不确定度评估方面，十一所团队结合国家计量技术规范的相关要求，提出了不确定度分量分析与合成方法的建议，促进了国际标准与我国计量技术规范的协调衔接；其三，在术语与定义环节，十一所专家积极参与讨论，保障了标准文本的严谨性与中文语境下的适用性。十一所不仅是在ISO24013标准制定中的深度参与单位，也是我国偏振光学计量测试领域国家标准与行业标准的主要起草力量。该所长期以来在激光参数测试、光学元件性能评价及光电测量仪器校准方面的丰富技术积累，使其在国际标准制定中发挥着不可替代的“中国智慧”作用，为我国在该领域的国际话语权提升作出了积极贡献。五、标准应用价值与行业影响5.1对光学制造业的规范作用光学元件制造企业是ISO24013:2023最直接的受益者之一。标准实施前，各企业依据内部规范或客户指定方法进行相位延迟测量，检测条件、方法与判据各异，产品合格判定的口径不一。标准发布后，统一的测量方法与国际通行的检测规则为企业提供了明确的技术遵循，既有利于企业提升产品质量一致性与检测效率，也为其产品进入国际市场扫除了技术壁垒。特别是对于面向出口的高端波片、偏振器件制造企业而言，依据ISO24013实施检测可显著增强产品的国际公信力。5.2对激光系统集成与应用产业的促进作用对于激光器及激光系统集成商而言，偏振光学元件相位延迟的准确测量是系统设计与装调的重要保障。在激光加工、光通信、精密测量和科研应用等下游领域，系统级性能的优化依赖于对每一个偏振元件的精确表征。ISO24013:2023的实施为系统集成商提供了选型验收和来料检验的标准化依据，有助于缩短系统调试周期、降低研制风险并提升整机性能的一致性。5.3对计量检测与标准化体系的提升作用ISO24013:2023的发布填补了偏振光学元件相位延迟国际检测标准的空白，为各级计量技术机构开展相关校准与检测服务提供了权威依据。标准引入的不确定度评估框架进一步促进了国内相关计量技术规范与国际标准的协调一致，对于完善我国光学计量技术体系、推进计量校准能力国际互认具有积极的推动作用。5.4国际贸易与技术交流的支