ISO 11146-22021 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2部分一般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2部分：一般散光光束标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Lasersandlaser-relatedequipment—Testmethodsforlaserbeamwidths,divergenceanglesandbeampropagationratios—Part2:Generalastigmaticbeams摘要激光束宽度、发散角和光束传播比是评价激光光束质量的核心参数，直接影响激光器在工业加工、医疗、科研及国防等领域的应用效能。随着高功率激光技术和复杂光学系统的快速发展，散光光束的精确表征成为国际激光计量领域的重点与难点。ISO11146-2:2021《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2部分：一般散光光束》由国际标准化组织（ISO）发布，是ISO11146系列标准的重要组成部分，专门针对具有一般像散特性的激光束提供了系统化的测量方法和数学处理模型。本标准修订替代ISO11146-2:2005，在光束矩定义、像散光束分类、测量不确定度评估等方面进行了技术更新，进一步完善了国际激光光束质量评价标准体系。本报告从标准编制背景、技术内容框架、主要修订要点、应用价值及发展趋势等方面对该标准进行系统分析，以期为国内相关标准制修订、激光产品质量检测及科研应用提供参考依据。关键词：激光束宽度；发散角；光束传播比；散光光束；ISO11146；标准测试方法；光束质量Keywords:Laserbeamwidth;Divergenceangle;Beampropagationratio;Astigmaticbeams;ISO11146;Standardtestmethods;Beamquality1引言激光束的空间特性——包括束宽、发散角和光束传播比（M²因子）——是衡量激光器输出光束质量的基本参量，也是激光应用系统设计、光学元件选型和质量控制的重要依据。自20世纪90年代以来，国际标准化组织（ISO）持续推动激光束参数测量方法的标准化工作，形成了以ISO11146系列为核心的激光束表征国际标准体系。随着激光技术在材料加工、半导体制造、生物医疗、空间通信和前沿科研等领域的深入应用，激光器的输出光束形态日趋复杂。不仅基模高斯光束得到广泛应用，高阶模、混合模以及具有像散特性的光束也大量出现。特别值得关注的是，高功率半导体激光器阵列、板条激光器和部分固体激光器的输出光束往往表现出显著的像散特性——即光束在相互正交的两个方向上的束腰位置和束宽大小不一致（简单像散），甚至主轴的取向随传播距离发生变化（一般像散）。此类光束的存在和广泛使用，使得传统的基于旋转对称光束假设的测量方法不再适用。ISO11146-2:2021正是针对上述需求而制定的专门标准。它基于二阶矩（方差）方法，为一般散光光束的束宽、发散角和光束传播比的测量提供了统一的技术规范，弥补了ISO11146-1（适用于非散光或简单像散光束）在一般散光光束测量方面的局限性。本标准的发布和实施，对于统一国际间激光光束质量评价方法、促进激光产品国际贸易和推动激光技术进步具有重要意义。本报告将对ISO11146-2:2021标准进行系统的分析解读，从标准的基本情况、技术框架、修订要点、应用价值及未来发展趋势等方面加以论述，旨在为国内激光标准化工作、检测实验室建设和相关技术研发提供参考。2标准基本信息标准编号：ISO11146-2:2021英文名称：Lasersandlaser-relatedequipment—Testmethodsforlaserbeamwidths,divergenceanglesandbeampropagationratios—Part2:Generalastigmaticbeams中文名称：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2部分：一般散光光束标准状态：现行发布机构：国际标准化组织（ISO）发布日期：2021年7月2日发布年份：2021年分类号：光电子学、激光设备国别：国际组织语言：英语版本说明：本标准为电子版加密PDF格式，约1分钟可下载，有水印，需安装FileOpen插件，电脑需联网，限制累计3台电脑共打印5次。售价：808.0元本标准替代ISO11146-2:2005，是其修订版本。ISO11146系列标准的总体框架包括：-ISO11146-1:2021：第1部分——光斑的消光法和刀口法测量；-ISO11146-2:2021：第2部分——一般散光光束；-ISO11146-3:2021：第3部分——内在和几何激光束分类、传播及详细测试方法。该系列标准共同构成了激光束参数测量的完整标准体系，在世界范围内被广泛采用。3标准编制背景与必要性3.1技术需求分析激光束宽度、发散角及光束传播比的准确测量，是激光器设计、生产检验、应用开发和质量控制的基础。随着激光技术的飞速发展，激光器的种类和光束特性日益多样化。尤其是以下类型的激光器，广泛存在一般散光光束现象：（1）高功率半导体激光器（阵列）：由于半导体激光器的波导结构在快轴和慢轴方向具有显著不对称性，其输出光束通常具有较大的像散差，不同方向上的束腰位置明显分离。（2）板条激光器和薄片激光器：这类激光器的增益介质几何结构导致热效应分布不对称，输出光束往往呈现一定的像散特征。（3）部分固体激光器和气体激光器：由于谐振腔设计或增益介质的热透镜效应，输出光束也可能出现一般像散。（4）光束整形和传输系统：通过柱面透镜、变形棱镜对等光学元件进行光束整形后，输出光束可能产生复杂的一影像散。对于上述一般散光光束，如果沿用ISO11146-1中基于旋转对称光束的假设和方法进行测量，将导致显著误差。因此，需要专门的测量标准来规范一般散光光束的表征方法。3.2标准的国际意义激光器产品已在全球范围内广泛流通。统一的激光束参数测量标准是各国之间进行激光产品质量比较、技术交流和贸易往来的基础。ISO11146-2:2021作为国际通用的测量方法标准，在以下方面发挥着关键作用：-为激光器制造商提供统一的性能参数表征规范，便于产品规格说明和全球营销；-为激光器用户提供选择和验收激光器的依据，确保设备技术指标的可靠性；-为激光检测实验室提供标准化的操作流程，保障测量结果的重复性和可比性；-为各国激光标准化技术委员会提供参照，促进各国标准的协调一致。3.3法规与政策背景国际标准化工作与各国的技术法规和政策密切相关。在世界贸易组织《技术性贸易壁垒协定》（WTO/TBT）框架下，各成员国在制定技术法规和标准时，应积极采用国际标准作为基础。ISO11146-2:2021作为激光束参数测试领域的核心国际标准，对各国激光产品检测方法标准的制修订具有重要的指导意义。我国在激光标准领域积极参与国际标准化工作，全国光电子标准化技术委员会（SAC/TC284）对口负责ISO/TC172/SC9（激光和光电子）领域的工作。ISO11146-2:2021为我国相应国家标准和行业标准的制修订提供了直接的技术参考依据。4标准主要内容与技术框架4.1标准的适用范围ISO11146-2:2021规定了激光束宽度、发散角和光束传播比（M²因子）的测量和计算方法，适用于一般散光光束（generalastigmaticbeams）。这里所说的“一般散光光束”是指光束在沿传播方向的各个截面中，其等强度线（或等辐照度线）的主轴方向随传播位置变化的光束。这类光束无法通过简单地绕传播轴旋转坐标系来消除交叉矩项（即光束主轴不确定），其完整的二阶矩表征需要六个独立参数。与此相对，ISO11146-1所处理的是非散光光束（即旋转对称光束或正交像散光束），其主轴不随传播距离变化。当光束的光轴方向已确定且光束满足一定的传输条件时，ISO11146-2的方法可以应用。4.2二阶矩方法的基本原理本标准的测量方法基于光束辐照度分布的二阶空间矩。对于一般散光光束，光束在某一截面上的空间二阶矩构成一个二阶对称张量，其元素包括：\[\langlex^2\rangle,\quad\langley^2\rangle,\quad\langlexy\rangle\]其中\(x\)和\(y\)为垂直于传播轴\(z\)的平面内的正交坐标。中心二阶矩定义为：\[\langlex^2\rangle=\frac{\int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty}(x-\bar{x})^2E(x,y,z)\,dx\,dy}{\int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty}E(x,y,z)\,dx\,dy}\]其中\(E(x,y,z)\)为光束在\(z\)位置处的辐照度分布，\(\bar{x}\)和\(\bar{y}\)为光束质心坐标。对于一般散光光束，需要在多个传播位置测量上述二阶矩参数，然后通过双曲线拟合确定光束的传播特征参数，包括：-光束在不同方向上的宽度\(d_x(z)\)、\(d_y(z)\)；-光束主轴方向随传播距离的变化；-不同方向上的发散角\(\theta_x\)、\(\theta_y\)；-光束传播比\(M_x^2\)、\(M_y^2\)及有效光束传播比。4.3一般散光光束的表征参数ISO11146-2:2021提出了对一般散光光束进行全面表征的系统方案。核心表征参数包括：（1）光束宽度矩阵：通过二阶矩定义，在不同方位角度上定义光束宽度，形成完整的光束宽度张量描述。（2）光束发散角矩阵：对应光束宽度矩阵在远场的传播行为，以矩阵形式给出不同方向上的发散角参数。（3）光束传播比（M²因子）矩阵：将光束宽度和发散角综合，给出一般散光光束的光束质量矩阵表征。（4）像散参数：包括简单像散距离（astigmaticdifference）和一般像散角（generalastigmaticangle）等参数，用以描述光束像散的程度和性质。4.4测量装置与流程标准对测量装置提出了明确要求，主要包括：-光束衰减系统（防止探测器饱和或损坏）；-光束聚焦或准直光学系统（根据需要）；-光束分析仪（基于阵列探测器或扫描狭缝/刀口等原理）；-精密位移台（用于沿光束传播方向移动探测器位置）。标准规定的测量流程包括：1.光束制备：确保被测光束状态稳定，消除环境干扰；2.确定光束传播轴：通过质心测量确定光束的传播方向；3.多位置测量：在光束传播方向的不同位置测量辐照度分布的二阶矩；4.数据拟合：利用双曲线函数对测量数据进行最小二乘拟合；5.参数计算：根据拟合结果计算束宽、发散角、束腰位置及光束传播比；6.不确定度评定：按照测量不确定度表示指南（GUM）评估测量结果的置信区间。4.5数据处理的数学方法数据处理的数学方法是本标准的核心理术内容。对于一般散光光束，光束矩阵元在自由空间传播中满足双曲线传播规律。标准详细给出了以下数学处理步骤：（1）在多个\(z\)位置测量光束的二阶矩矩阵元素；（2）对各矩阵元素分别进行双曲线拟合，得到光束宽度参数在传播方向上的变化规律；（3）通过拟合参数计算出束腰宽度、束腰位置、远场发散角等物理量；（4）根据ISO11146-1中定义的公式，结合波长、束宽和发散角计算\(M^2\)因子；（5）对一般散光光束，还需计算出主轴方向的旋转角随传播距离的变化规律，以完整描述光束的像散特征。4.6与相关标准的关系ISO11146-2:2021与其他ISO标准有着密切联系：-ISO11146-1:2021—规定了非散光光束和简单像散光束的测量方法。当光束的像散主轴方向不随传播距离旋转时，可采用第1部分的方法。-ISO11146-3:2021—规定了内在和几何激光束分类方法、传播特性及详细的测试方法。-ISO13694:2018—规定了激光光束能量密度分布的测试方法。-ISO11670:2003—规定了激光光束位置稳定性的测试方法。-ISO15367—规定了激光光束波前相位分布的测试方法。这些标准共同构成了一套完整的激光束表征标准体系，从不同角度对激光束的特性进行标准化描述和测量。5主要修订内容分析与前一版本ISO11146-2:2005相比，ISO11146-2:2021在以下方面进行了重要修订：5.1与ISO11146-1和ISO11146-3的同步更新ISO11146系列三个部分在2021年进行了同步修订，保持了术语定义、符号体系和方法论的一致性。修订后的系列标准在下列方面实现了统一：-统一的术语和定义体系；-统一的符号标注规则；-统一的测量设备和条件要求；-统一的测量不确定度评估方法。5.2术语和定义的更新修订后的标准更新和完善了以下关键术语的定义：-光束宽度（beamwidth）的定义更加精确，与ISO11146-1保持一致；-光束发散角（divergenceangle）的定义更加明确；-光束传播比（beampropagationratio）的数学定义和物理含义阐述更加清晰；-对简单像散光束、一般散光光束等概念进行了更准确的分类和界定。5.3测量不确定度评估方法的改进2021版标准在测量不确定度评估方面做了较大改进：-更系统地引用了测量不确定度表示指南（GUM,JCGM100:2008）；-增加了对各类误差来源的系统分析；-提供了更详细的不确定度合成方法示例；-给出了评定结果报告的建议格式。5.4附录内容的扩充修订后的标准增加了多个资料性附录，包括：-一般散光光束的数据处理示例；-测量系统的校准方法和要求；-常见误差源及其对测量结果影响的分析。6标准发布机构与主要参与单位6.1发布机构介绍ISO11146-2:2021由国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization，简称ISO）发布，具体由ISO/TC172/SC9（光学和光子学技术委员会激光和光电子分技术委员会）负责制定。ISO/TC172/SC9的工作范围涵盖激光器和激光相关设备的标准制定，包括术语和定义、安全要求、测试方法等。该分委会汇聚了来自各成员国的激光技术专家，定期召开工作会议，审议和推进激光领域的标准制修订项目。6.2主要起草单位与合作机构在ISO11146-2:2021的制修订过程中，德国、美国、日本、中国等国家的标准化机构和激光研究机构发挥了重要作用。德国工业标准协会（DIN）下属的光学分委会在激光束测量标准方面有着深厚的技术积累，主导了这一系列标准多次修订的技术工作。德国联邦物理技术研究院（PTB）在激光束参数计量方面开展了大量基础研究，为标准的修订提供了重要的技术支撑。美国激光研究所（LIA）和美国国家标准化协会（ANSI）认可的激光标准委员会积极参加了标准讨论，在光束质量定义和测量方法方面做出了贡献。日本工业标准调查会（JISC）下属的激光标准化委员会在光束传播理论和测量装置方面提供了技术输入。中国作为ISO的正式成员，全国光电子标准化技术委员会（SAC/TC284）派出专家参加了该标准的制修订工作，在标准讨论中反映了我国激光产业的技术需求。上述各方的共同协作确保了该标准既具有广泛的国际代表性，又在技术上保持先进性和实用性。7