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摘要随着激光技术在精密制造、量子通信、光学计量及生命科学等领域的深入应用，偏振激光辐射的相位特性控制已成为决定光学系统性能的关键因素。光学元件的相位延迟特性直接影响到激光系统的偏振态保持能力、干涉测量精度及光学信息处理质量，因此建立统一、规范的相位延迟测量方法具有重要的工程价值和学术意义。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》由国际标准化组织（ISO）于2023年6月30日正式发布，该标准系统规定了偏振激光辐射用光学元件相位延迟测量的术语定义、测量原理、测量装置要求、测量程序及数据处理方法，为全球激光光学元件制造业和检测机构提供了统一的技术依据。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心内容及关键技术指标，深入分析了标准中规定的多种测量方法及其适用场景，并对该标准的技术特征、应用前景和潜在影响进行了全面评估。报告指出，ISO24013:2023的发布填补了国际标准体系中关于偏振激光辐射光学元件相位延迟测量方法的空白，对促进激光光学元件质量评价体系的完善、推动全球激光技术产业的规范化发展具有重要的引领作用。关键词：光学和光子学；激光设备；偏振激光辐射；相位延迟；光学元件；国际标准；测量方法Keywords:OpticsandPhotonics;LaserEquipment;PolarizedLaserRadiation;PhaseRetardation;OpticalComponents;InternationalStandard;MeasurementMethod一、引言1.1研究背景激光技术作为二十世纪最重要的科技成就之一，已从实验室基础研究发展成为推动现代工业、信息技术、医疗健康及国防安全等领域进步的核心技术力量。在激光系统的设计和使用过程中，偏振特性是决定激光光束质量和系统性能的重要参数之一。偏振激光辐射在通过光学元件（如波片、偏振分束器、相位调制器等）时，由于材料双折射效应和元件表面镀膜的影响，会产生不同程度的相位延迟，从而改变激光的偏振状态。这一现象在精密光学测量、激光干涉仪、光通信系统及量子光学实验等应用场景中尤为关键。在量子通信领域，偏振编码是信息传输的基础方式之一，光学元件相位延迟的精确控制直接关系到量子密钥分发系统的安全性和可靠性。在激光干涉仪中，相位延迟的不确定性会引入测量误差，影响纳米级位移测量和引力波探测等极高精度任务的完成。在高端激光加工设备中，偏振态的改变会影响加工质量的一致性和可重复性。因此，建立统一的相位延迟测量标准，成为激光光学领域亟待解决的基础性问题。1.2标准立项的必要性在ISO24013:2023发布之前，国际范围内缺乏专门针对偏振激光辐射用光学元件相位延迟测量的统一标准。各主要激光设备制造国和企业在相位延迟测量中往往采用各自内部的企业标准或参考相关光学通用测试标准，导致测量结果在仪器配置、测量条件和数据处理方法上存在显著差异，不同实验室之间测量数据的可比性和互认性难以保证。此外，随着激光技术向极紫外光刻、空间光通信、原子干涉精密测量等前沿领域拓展，对相位延迟测量的精度和可靠性提出了更高的要求，亟需制定专门的标准来规定统一的测量方法和评价准则。在此背景下，ISO/TC172/SC9（光学和光子学技术委员会激光和激光相关设备分技术委员会）经过充分论证和广泛征求意见，决定立项制定ISO24013标准，旨在建立一套完整、科学、可操作的相位延迟测量方法体系，为全球激光光学元件产业提供统一的技术规范和质量评价依据。二、标准编制历程2.1立项阶段ISO24013标准的制定工作由国际标准化组织光学和光子学技术委员会激光和激光相关设备分技术委员会（ISO/TC172/SC9）统筹推进。该分技术委员会长期致力于激光和激光相关设备领域的国际标准化工作，已发布多项具有广泛影响力的国际标准，涵盖激光术语、激光安全、激光测量设备等多个方面。在标准立项前期，ISO/TC172/SC9组织开展了深入的行业调研和技术论证工作，收集了来自各国标准化机构、激光设备制造商、第三方检测机构及科研院所的反馈意见。调研结果显示，各利益相关方普遍认为制定相位延迟测量标准具有紧迫性和必要性，且该标准应着重解决以下关键问题：测量方法的统一性、不同测量手段之间的一致性和可追溯性、各类光学元件（包括不同材料、不同工作波段及不同口径）的适用范围，以及测量结果不确定度评定的规范性。在充分论证的基础上，ISO/TC172/SC9于标准制定周期内正式启动该标准的制定工作，并确定由在激光光学计量领域具有深厚技术积累的德国标准化协会（DIN）承担标准起草工作组召集人工作。德国光学精密仪器产业在全球处于领先地位，在偏振光学和激光测量技术方面拥有丰富的工程经验和学术成果，担任标准起草工作具有显著的技术优势和行业代表性。2.2起草与征求意见阶段标准起草工作组在启动后，系统收集了主要激光产业国家和相关国际组织的现有技术资料，包括各国国家标准、行业规范、学术论文及实验室内部方法等基础文献。工作组对这些材料进行了系统的比较分析，提炼出具有广泛共识的技术方法和关键参数要求。在标准草案编制过程中，工作组重点解决了一系列技术难题，包括：相位延迟测量中的参考基准问题、不同测量方法之间的系统偏差校正、双折射材料色散特性对测量结果的影响、以及高精度测量中环境因素（温度、湿度、振动）的控制与补偿等问题。经过多轮技术研讨和实验室间比对验证，工作组完成了标准草案的编制。2.3标准发布经过编制、征求意见、技术审查、投票批准等各阶段的严格程序，ISO24013:2023最终于2023年6月30日正式发布实施。该标准的发布标志着偏振激光辐射用光学元件相位延迟测量领域首次拥有了统一的国际标准，填补了该技术方向国际标准化的空白。三、标准主要内容3.1标准适用范围ISO24013:2023标准规定了偏振激光辐射用光学元件相位延迟测量的方法和技术要求，适用于工作波段位于深紫外至红外光谱区域的各类光学元件，包括但不限于：石英波片、聚合物相位延迟片、液晶相位调制器、偏振分束器、双折射晶体元件以及镀有相位控制膜层的光学元件等。标准同时明确了其适用范围的具体边界条件，包括入射激光的偏振状态要求、光束直径范围、入射角度和功率密度限制等参数条件。标准所规定的测量方法主要针对自由空间传播的偏振激光辐射，涉及光纤光学元件或波导型器件的相位延迟测量不包含在本标准范围内。3.2规范性引用文件ISO24013:2023在技术内容上引用了一系列相关的ISO标准文件，主要包括：-ISO11145：光学和光子学——激光和激光相关设备——基本术语和定义-ISO13653：光学和光子学——光学元件和系统——光学元件的检验方法-ISO15367：激光和激光相关设备——激光束波前相位分布的测量方法这些引用标准为ISO24013:2023提供了基础性的术语定义、测量方法和评价准则支撑，确保了标准体系的协调一致性和技术兼容性。3.3关键术语和定义标准对相位延迟测量相关的核心术语进行了严格定义，主要包括：-相位延迟（PhaseRetardation）：偏振光通过光学元件后，两个正交偏振分量之间产生的相位差。该参数是衡量光学元件偏振特性影响的核心指标，通常用度（°）或波长分数（如λ/4、λ/2）来表示。-快轴（FastAxis）：在双折射光学元件中，具有较小折射率、光传播速度较快的偏振方向所对应的特征轴方向。-慢轴（SlowAxis）：与快轴正交，具有较大折射率、光传播速度较慢的偏振方向所对应的特征轴方向。-偏振消光比（PolarizationExtinctionRatio）：光学元件保持入射偏振态能力的表征参数，定义为通过元件的正交偏振分量强度之比，用以综合评价元件的偏振性能。-波片相位延迟（WaveplateRetardation）：特指波片类光学元件对透射偏振光两个正交分量产生的相位差。3.4测量原理与方法分类标准根据不同的测量原理和技术路径，规定了多种相位延迟测量方法，主要可分为以下四类：3.4.1旋转波片法（RotatingWaveplateMethod）该方法基于偏振调制原理，通过旋转待测波片或补偿器，测量透射光强的周期性变化规律，进而精确确定相位延迟量。该方法适用于中低精度要求的常规检测，操作简便，测量速度快，适合生产线批量检测应用场景。3.4.2光弹调制法（PhotoelasticModulationMethod）光弹调制法利用光弹调制器对偏振光进行高频调制，结合锁相放大技术实现对相位延迟的高灵敏度测量。该方法具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点，适用于对测量精度有较高要求的科研和精密制造场景，可实现对微小相位延迟变化量的实时在线检测。3.4.3干涉测量法（InterferometricMeasurementMethod）干涉法利用待测光学元件引入的相位变化引起干涉条纹的位移或形变来实现相位延迟的精确测量。该方法通常需要配置干涉仪测量系统，具有测量精度极高、可同时获取相位延迟空间分布信息的优势，适用于高精度计量、光学元件质量评价以及波前检测等场景。3.4.4光谱法（SpectroscopicMethod）光谱法基于双折射材料的色散特性，通过测量透射光谱中特定波长位置的极值或特征变化来确定光学元件的相位延迟量。该方法特别适用于宽波段工作元件的测量和材料双折射色散特性的评估，在材料科学研究中具有重要的应用价值。标准对上述每种测量方法均详细规定了测量装置的结构和光学参数要求、测量步骤的具体操作规程、数据处理与计算方法以及测量结果不确定度的评定要求。3.5测量装置与条件要求为确保测量结果的准确性和可重复性，标准对各测量方法的装置要求进行了系统规定：在光源方面，标准要求测量用激光光源应具有足够的功率稳定性、波长准确性和偏振纯度。对于不同波段的测量对象，应选用相应波长的激光光源，且光源的线宽应满足测量精度的要求。在偏振器件方面，标准对起偏器、检偏器的消光比性能、孔径尺寸和损伤阈值提出了明确指标。在探测器方面，标准要求光电探测器的响应线性度、动态范围和噪声特性应满足测量精度的需求。对于微弱信号检测场景，应配置锁相放大器等信号处理设备以提高信噪比。在环境条件控制方面，标准规定测量环境温度应控制在23℃±2℃的标准条件范围内，相对湿度应低于65%。对于高精度测量，还应在更严格的温控环境中进行。光学平台应具备良好的隔振性能，以避免振动对测量结果的干扰。3.6测量不确定度评定标准要求相位延迟测量结果的报告中应包含完整的测量不确定度分析，需要综合考虑仪器误差、环境因素、操作差异和数据处理误差等多方面因素。测量不确定度的来源通常包括：标准器引入的不确定度、测量重复性引入的不确定度、环境温度波动引入的不确定度、光源波长和功率不稳定性引入的不确定度，以及数据处理方法引入的不确定度等。测量结果应给出扩展不确定度及对应的包含因子和置信水平。四、主要起草单位介绍4.1德国标准化协会（DIN）与ISO/TC172/SC9ISO24013:2023标准的制定由德国标准化协会（DIN）承担主要召集工作。DIN是德国国家标准化主管机构，成立于1917年，总部位于柏林，是欧洲标准化委员会（CEN）和国际标准化组织（ISO）的核心成员之一。DIN在光学和光子学标准化领域具有悠久的传统和深厚的技术积累，长期承担ISO/TC172/SC9秘书处工作及多项关键标准的起草任务。德国作为全球激光技术和精密光学产业最发达的国家之一，拥有蔡司（ZEISS）、通快（TRUMPF）、莱卡（Leica）等世界著名的光学和激光企业。这些企业在偏振光学元件设计制造、激光系统集成和光学计量技术方面积累了丰富的工程经验。DIN组织的标准起草工作团队汇聚了来自这些领先企业的资深技术专家和德国国家物理技术研究院（PTB）的计量科学家，形成了产学研紧密结合的标准研制工作机制。在ISO24013:2023的研制过程中，德国专家团队充分发挥了其在偏振光学理论和精密测量技术方面的优势，主导完成了多种测量方法的系统验证和比对实验，为标准技术内容的科学性奠定了基础。同时，DIN通过其在ISO框架下的广泛国际合作网络，积极协调各成员国的技术立场，推动不同技术方案之间的融合与统一，为标准最终以较高一致性获得通过发挥了关键作用，充分体现了德国在光学计量标准化领域的国际引领地位和技术话语权。五、标准意义与应用前景5.1对激光光学产业的推动作用ISO24013:2023的发布对全球激光光学元件产业具有重要的推动作用。标准的实施使得不同制造商生产的偏振光学元件可以在统一的评价体系下进行质量比较，促进了公平竞争和市场透明度。对于光学元件制造商而言，按照国际标准进行产品检测和质量认证，有助于提升产品在国际市场的认可度和竞争力。5.2对科学研究的支撑作用在科学研究领域，该标准为激光物理、量子光学、精密计量等方向的研究工作提供了标准化的测量手段。特别是在量子光学实验和引力波探测等对相位精度要求极高的应用场景中，规范化的相位延迟测量方法有助于提高实验数据的可靠性和实验室间的可复现性。5.3对未来标准体系建设的引领ISO24013:2023的发布也将影响未来相关标准的制定方向。随着激光技术向更短波长（极紫外）、更高功率和更复杂偏振态调控方向发展，对相位延迟测量的精度、波段覆盖范围和实时性将提出更高要求。可预见的是，ISO/TC172/SC9将在该标准的基础上，继续推进激光光学元件性能评价和测量技术的系列标准建设，构建更加完善和系统化的国际标准体系。六、结论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》是国际标准化组织在激光光学元件计量领域发布的一项基础性和引领性标准。该标准系统规定了相位延迟测量的术语体系、测量原理、装置要求、操作程序、数据处理和不确定度评定方法，构建了一套完整的测量方法体系，填补了该领域国际标准的空白，为全球激光光学元件的质量评价和贸易往来提供了统一的技术依据。该标准的发布体现了国际社会对偏振光学测量技术规范化的高度重视，反映了激光技术领域对精密测量标准化日益迫切的需求。标准的实施将有效促进激光光学元件产品质量的提升和全球市场的健康发展，为激光技术在更广泛领域的深入应用提供坚实的计量基础保障。未来，随着相关技术的持续进步和应用需求的不断演化，该标准也将适时进行修订和完善，以保持其技术先进性和行业适用性，持续发挥在国际激光光学标准化体系中的基础支撑作用。参考文献[1]ISO24013:2023,Opticsandphotonics—Lasersandlaser-relatedequipment—Measurementofphaseretardationofopticalcomponentsforpolarizedla