ISO 11146-12021 激光器和激光相关设备激光束宽度 发散角和光束传播比的测试方法 - 第1部分柱状和简单的散光光束标准立项发展报告

激光器和激光相关设备激光束宽度、发散角和光束传播比的测试方法第1部分：柱状和简单的散光光束标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Lasersandlaser-relatedequipment—Testmethodsforlaserbeamwidths,divergenceanglesandbeampropagationratios—Part1:Stigmaticandsimpleastigmaticbeams摘要激光束宽度、发散角和光束传播比是表征激光光束质量的核心参数，直接影响激光在工业加工、医疗手术、军事防御、科研实验及光通信等领域的应用效果。随着高功率、高光束质量激光器的快速发展，建立统一、精确、可复现的激光束参数测试方法成为国际光学工程领域的迫切需求。ISO11146-1:2021《激光器和激光相关设备激光束宽度、发散角和光束传播比的测试方法第1部分：柱状和简单的散光光束》由国际标准化组织（ISO）下属TC172/SC9技术委员会（光学与光子学/激光与光子学）于2021年7月2日正式发布，替代原ISO11146-1:2005版本。该标准系统规定了柱状光束（stigmaticbeam）和简单散光光束（simpleastigmaticbeam）的束宽、发散角及光束传播比（M²因子）的测试原理、实验装置要求、测量步骤和数据处理方法，为激光器制造商、检测机构及用户提供了统一的技术依据。本标准首次明确引入了对测试系统非线性响应、背景辐射抑制及环境扰动控制的强制性要求，并给出了更为严谨的测量不确定度评定框架。本报告从标准立项背景、技术内容体系、国内外标准比对、主要参与单位及未来发展趋势等方面进行全面阐述，旨在为行业内相关人员提供系统性参考。关键词：激光束宽度；发散角；光束传播比；M²因子；ISO11146；标准化测试；柱状光束；散光光束Keywords:laserbeamwidth;divergenceangle;beampropagationratio;M²factor;ISO11146;standardizationtesting;stigmaticbeam;astigmaticbeam1引言1.1立项背景自1960年第一台激光器问世以来，激光技术已深度渗透至现代工业与科研的各个领域。从数瓦级的精密微加工到数十千瓦级的厚板切割，从亚飞秒级的超快光谱研究到数公里级自由空间光通信，激光系统的性能优劣直接取决于其光束质量。而在所有光束质量评价指标中，束宽（beamwidth）、发散角（divergenceangle）和光束传播比（beampropagationratio，即M²因子）构成了最基础、最核心的三要素。然而，长期以来，不同制造商和实验室之间对上述参数的测量方法和结果存在显著差异。1980年代至1990年代，国际上先后出现了基于二阶矩（secondmoment）定义、可变光阑法、刀口扫描法和狭缝扫描法等多种测试方案，但各自适用的光束类型和条件不尽相同，导致同一激光器的测量数据在不同机构之间缺乏可比性。这一状况严重制约了激光器的国际流通、质量认证以及应用端的工艺稳定性控制。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于1990年代中期启动了ISO11146系列标准的制定工作，旨在建立一套基于统计学定义、具有严格数学基础且在实验室间具有高度可复现性的激光束参数测试方法体系。2005年，ISO11146-1:2005首次发布，成为全球激光光束质量测试的基准文件。随着激光技术向更高功率、更短脉冲和更复杂光束形态方向演进，ISO/TC172/SC9技术委员会于2018年启动了该标准的系统性修订工作，最终于2021年7月发布ISO11146-1:2021现行版本。1.2标准的定位与意义ISO11146-1:2021属于ISO11146系列标准的第1部分，其姊妹标准ISO11146-2专门针对散光光束（astigmaticbeams）的测试方法，ISO11146-3则将坐标系统的固有特性与测试和不确定度评估相关联。第1部分聚焦于两类相对简单但应用最为广泛的光束类型——柱状光束和简单散光光束，为绝大多数工业激光器和科研激光系统的光束质量评估提供了可操作的技术规范。本标准的发布与实施，对于构建全球统一的激光束质量评价体系、推动激光器国际贸易互认、促进高光束质量激光器的技术迭代具有重要的基础性支撑作用。同时，该标准也为中国GB/T26599.1等国家标准及行业标准的制修订提供了关键性的国际参考。2标准技术内容体系2.1适用范围ISO11146-1:2021明确规定了在无像散或仅含简单像散条件下，对激光束的束宽、发散角和光束传播比（M²因子）进行测量和评价的测试方法。所谓“柱状光束”，指光束在传播过程中其横截面光强分布保持旋转对称或近似旋转对称，两个正交方向上的束宽相等；而“简单散光光束”则指光束在两个正交方向（通常定义为x和y方向）上具有不同的束腰位置和束宽，但两个方向之间不存在能量耦合或旋转。该标准适用于连续波（CW）和脉冲激光器，覆盖从紫外到远红外的整个激光波长范围，并适用于各种输出功率水平的激光系统。需要特别指出的是，该标准不适用于具有显著高阶像散、非正交散光或涡旋相位结构等复杂光束的测量，此类光束的测试应参照ISO11146-2的相关规定。2.2规范性引用文件本标准在技术内容上与其他ISO标准形成了紧密的引用关系，主要规范性引用文件包括：-ISO11146-3:2021：定义了光束坐标系统的数学特性，提供不确定度评估框架；-ISO13694：规定了激光功率密度（能量密度）分布的测试方法；-ISO11554：规定了激光功率、能量和响应时间的测试方法；-ISO11670：规定了激光束位置稳定性的测试方法；-ISO17526：涉及光学激光元件的寿命评估；-IEC/TR61010-1：涉及测量、控制和实验室用电气设备的安全要求。上述标准的协同使用，确保了激光束参数测试在测量链路中的整体一致性和可追溯性。2.3术语和定义ISO11146-1:2021对以下关键术语给出了精确定义：-束宽（beamwidth）：在给定位置处，激光束横截面内光强分布二阶矩的平方根乘以2。对于笛卡尔坐标系，x方向的束宽定义为$$d_x=2\sqrt{2\sigma_x}$$，其中$\sigma_x$为x方向光强分布的二阶矩。该定义具有严格的统计学意义，不依赖于光束的具体强度分布形态。-发散角（divergenceangle）：束宽沿传播方向的远场增长速率，即光束在远场区域中束宽对传播距离的变化率。-光束传播比（beampropagationratio，M²因子）：实际激光束的束宽-发散角乘积与理想高斯光束（TEM₀₀模）之间的比值。数学上，M²因子定义为$$M²=\frac{\pi}{λ}\cdot\frac{d_{x0}\cdotθ_x}{4}$$，其中$d_{x0}$为束腰宽度，$θ_x$为远场发散角，λ为激光波长。对于理想高斯光束，M²=1；对于实际激光器，M²>1。-束腰位置（beamwaistlocation）：光束沿传播方向束宽取最小值的位置。-像散（astigmatism）：光束在x和y两个正交方向上的束腰位置不同或束宽不同的现象。此外，标准还定义了“有效波长”“瑞利长度”“二次矩宽度”等辅助术语，构成了完整的术语体系。2.4测量原理ISO11146-1:2021的核心测量原理基于激光束在自由空间传播时的双曲线规律。根据傍轴波动光学理论，激光束的束宽沿传播轴z的变化满足以下关系：$$d_x(z)=d_{x0}\sqrt{1+\left(\frac{\lambdaM²_x(z-z_{0x})}{\pid_{x0}²}\right)²}$$其中，$d_{x0}$为x方向束腰宽度，$z_{0x}$为x方向束腰位置。通过在不同传播距离处测量束宽，利用双曲线拟合即可同时获得束腰宽度、束腰位置和M²因子三个关键参数。标准规定的测量步骤包括：1.光束预处理：必要时对激光束进行衰减、扩束或聚焦，使其功率密度和尺寸落在检测器线性响应范围内；2.沿传播轴多点测量：在至少10个不同的轴向位置处测量束宽，测量位置应涵盖束腰前后各至少一个瑞利长度的范围；3.数据拟合：采用非线性最小二乘法将测量数据拟合至上述双曲线方程，提取束腰宽度、束腰位置和M²因子；4.验证与评估：对拟合残差进行统计检验，评估测量不确定度。2.5测试装置要求标准对测试装置提出了系统性技术要求：光束质量分析仪：可采用基于CCD/CMOS阵列的相机式光束轮廓仪、刀口扫描仪或狭缝扫描仪。无论采用何种探测方案，探测器均需满足线性响应要求，其动态范围应≥12位（4096级）。像素尺寸应远小于被测光束的束宽（一般要求至少10个像素跨越一个束宽）。环境控制：测量环境应保持温度稳定（推荐±1°C以内），避免气流扰动和机械振动对光束传播的影响。对于高功率激光测量，还应对探测光路中的热透镜效应进行控制和补偿。2.6测量不确定度2021版本在测量不确定度评定方面进行了显著强化。标准明确要求测量报告应给出M²因子的扩展不确定度（k=2），并应分析以下不确定度来源：-束宽测量误差（源于探测器噪声、非线性响应、背景辐射和像素串扰等）；-测量位置误差（定位精度和轴向距离测量的准确度）；-拟合算法误差（初始值选择、迭代收敛准则、权重函数设置等）；-环境因素（空气扰动、温度漂移引起的折射率变化）；-激光器自身输出不稳定性（功率波动、模式漂移等）。标准推荐采用蒙特卡洛法或GUM法（GuidetotheExpressionofUncertaintyinMeasurement，测量不确定度表示指南）进行不确定度合成。3主要技术变化与国内外对比3.1与ISO11146-1:2005的主要差异相较于2005年版，ISO11146-1:2021引入了以下几项重要的技术变化：1.新增对探测器非线性的量化校正要求：2005版仅定性要求探测器必须为线性响应，而2021版要求对非线性进行定量表征并给出修正方法。2.强化了背景辐射抑制要求：新版本针对高功率激光测量中常见的杂散光和热辐射干扰，给出了更严格的背景扣除和滤波技术规范。3.细化了测量不确定度评定框架：2021版将不确定度评估从附录提升至正文层级，增加了对测量结果置信区间的强制报告要求，并给出了各类不确定度分量的典型估计方法。4.更新了与ISO11146-3的衔接：2021版与ISO11146-3:2021在坐标系统定义、数学符号和参数约定方面保持了更紧密的一致性。5.扩充了附录内容：新增了针对超短脉冲激光束测量的特殊注意事项，以及高功率激光测量中的热管理指南。3.2与主要国家标准的技术对比在国际标准体系中，ISO11146-1:2021是激光束参数测试领域最具权威的技术文件。与之平行的还有美国激光学会的ANSIZ136系列标准中涉及的测量规范以及国际电工委员会（IEC）的相关标准文件，但后者在光束质量参数定义和测试方法层面均直接或间接引用ISO11146系列标准。在中国，GB/T26599.1《激光器和激光相关设备激光束宽度、发散角和光束传播比的测试方法第1部分：柱状和简单的散光光束》等同等采用了ISO11146-1，由全国光学和光子学标准化技术委员会（SAC/TC103）归口管理。中国标准在技术内容上与ISO11146-1:2021保持同步。4主要参与制修订的标准化组织ISO11146-1:2021由国际标准化组织ISO/TC172/SC9“光学与光子学——激光与光子学”分技术委员会负责制定和维护。该分技术委员会秘书处承担单位为德国标准化协会（DIN），主席国由德国长期担任。ISO/TC172/SC9活跃成员包括德国、美国、中国、日本、英国、法国、韩国、瑞士、意大利等主要激光技术国家，以及国际光学工程学会（SPIE）、欧洲光学学会（EOS）等国际学术组织的联络代表。中国作为P成员（积极成员）全程参与了该标准的修订投票和技术讨论，全国光学和光子学标准化技术委员会（SAC/TC103）负责组织国内相关单位参与ISO/TC172/SC9的国际标准化活动。5结论与展望ISO11146-1:2021作为激光束参数测试领域的基础性国际标准，为全球激光产业提供了科学、统一、可复现的光束质量评价手段。该标准的实施不仅有助于激光器制造商以标准化的指标参数表征产品性能，也为激光设备采购方、质检机构和科研人员在比较不同激光器性能时提供了统一的“度量衡”。展望未来，随着高功率超快激光器、少模光纤激光器和涡旋光束等新型激光技术的快速产业化，ISO11146系列标准将持续面临新的技术挑战。在空间光通信、激光雷达和量子技术等新兴应用中，对光束质量参数的定义需求已从传统的M²因子拓展至更广义的模态纯度、波前畸变和相干性等维度。因此，ISO11146-1及其配套标准未来的修订方向将可能涵盖：1.超快激光束的时间和空间耦合效应的测试方法；2.部分相干光束和少模光束的参数定义与测试技术；3.自适应光学系统中的动态光束质量评价方法；4.与数字孪生和人工智能技术相结合的光束质量预测与优化方法。可以预见，ISO11146-1:2021在保持其基础性地位的同时，将持续与新技术需求互动演进，为全球激光技术的发展和应用深化提供坚实的标准化支撑。6修订参与单位简介：中国电子科技集团公司第十一研究所中国电子科技集团公司第十一研究所（以下简称“十一所”）始建于1956年，是中国最早从事激光与红外技术研究的专业科研机构之一，现为中国电科集团旗下核心成员单位。作为国内激光技术领域的“国家队”，十一所在固体激光、光纤激光、光电探测及激光计量测试等方面积累了六十余年的科研与工程经验，是中国参与ISO/TC172/SC9国际标准化活动的核心支撑单位之一。在激光束参数测试领域，十一所建有国内领先的激光光束质量计量测试平台，配备高精度光束质量分析系统、大功率激光参数综合测试装置及相关计量标准器具，具备从紫外到中红外波段覆盖连续波与脉冲激光的束宽、发散角及M²因子全参数测试能力。十一所长期承担国防军工和民用领域激光器光束质量检测与评价任务，在M²因子测量不确定度评估、高功率光束衰减与采样技术以及散光光束拟合算法等方向拥有多项自主研究成果。在国际标准化工作方面，十一所作为SAC/TC103的核心成员单位，长期跟踪ISO11146系列标准的制修订进程，组织国内相关专家开展标准草案的翻译、试验验证和技术评议工作，提出的多项技术意见被国际标准采纳。在ISO11146-1:2021修订期间，十一所联合国内高校和检测机构开展了多轮比对测试，重点针对高功率光纤激光器和超快激光器的束宽测量重复性和复现性进行了系统验证，为中国在该标准中发挥实质性技术影响力提供了坚实的数据支撑。参考文献[1]ISO11146-1:2021,Lasersandlaser-relatedequipment—Testmethodsforlaserbeamwidths,divergenceanglesandbeampropagationratios—Part1:Stigmaticandsimpleastigmaticbeams[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2021.[2]ISO11146-2:2021,Lasersandlaser-relatedequipment—Testmethodsforlaserbeamwidths,divergenceanglesandbeampropagationratios—Part2:Generalastigmaticbeams[S].Geneva:InternationalOrganizationforStan