ICS31.260GB/T38245—2019激光光學(xué)元件吸收率測(cè)試方法(ISO11551:2003,MOD)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)IGB/T38245—2019 Ⅲ 1 13術(shù)語(yǔ)和定義 14符號(hào)和度量單位 1 26測(cè)試原理 3 48計(jì)算方法 59測(cè)試報(bào)告 7附錄A(資料性附錄)影響吸收率測(cè)試的因素 9附錄B(資料性附錄)信號(hào)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(cè)試原理圖；原第5章分為5.1測(cè)試環(huán)境、5.2測(cè)試光源和5.3測(cè)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的GB/T3102.6代替了ISO31-6:1992;●用修改采用國(guó)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(hào)和單位(見第4章)。本標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)提出。本標(biāo)準(zhǔn)由全國(guó)光學(xué)和光子學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(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(cè)試方法本標(biāo)準(zhǔn)適用于激光光學(xué)元件吸收率的測(cè)試。下列文件對(duì)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(yǔ)(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(jí)(ISO14644-1:1999,IDT)GB/T3102.6和GB/T15313界定的以及下列術(shù)語(yǔ)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(duì)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(shí)間內(nèi)的熱損失程度。光陷阱beamstop用于收集測(cè)試樣品剩余反射或透射激光輻照的裝置。下列符號(hào)適用于本文件。(見表1給出的符號(hào)、定義和度量單位)2GB/T38245—2019符號(hào)定義單位C測(cè)試樣品、樣品夾持器等的熱容測(cè)試樣品上的光束寬度mm測(cè)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(shí)間s間隔時(shí)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(zhǎng)Q脈沖能量Jf重復(fù)頻率Hz5測(cè)試條件5.1測(cè)試環(huán)境測(cè)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(duì)濕度小于50%。殘留的塵埃應(yīng)按照GB/T25915.1—2010中定義的7級(jí)潔凈度要求執(zhí)行。為了保證盡可能減少熱擾動(dòng)和對(duì)流造成的熱損5.2測(cè)試光源測(cè)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(cè)試的激光波長(zhǎng)、入射角和偏振態(tài)應(yīng)與測(cè)試樣品的使用條件相一致。在測(cè)試樣品的使用波長(zhǎng)、5.3測(cè)試樣品測(cè)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(cè)試樣品間的熱傳導(dǎo)下降。為了提高測(cè)試精度，測(cè)試樣品應(yīng)安裝在具有熱屏蔽設(shè)計(jì)的并帶有激3GB/T38245—2019光不會(huì)打到樣品夾持器和測(cè)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(cè)試原理圖單元及數(shù)據(jù)處理單元等。圖1為吸收率測(cè)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(cè)試樣品)上。7(測(cè)試樣品)、6(樣品夾持器)及10(溫度傳感器)置于5(測(cè)試艙室)內(nèi)。激光輻照時(shí)間和溫度測(cè)試由11(控制單元)和8(計(jì)算機(jī))控制及測(cè)試，激光功率由12(激光功率計(jì))在照射樣品前后測(cè)試。7(測(cè)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(cè)試艙室；6樣品夾持器；圖1吸收率測(cè)試裝置示意圖6.2激光輻照的典型特征用于表征測(cè)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(shí)間ts。7.2校準(zhǔn)測(cè)量前在測(cè)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(gè)校準(zhǔn)過的激光功率計(jì)來考樣品及樣品夾持器在測(cè)試光路外，將校準(zhǔn)過的溫度傳感器分別固定在測(cè)試樣品和參考樣品上進(jìn)行溫度信號(hào)這種情況下，應(yīng)確定修正系數(shù)f.,以補(bǔ)償對(duì)吸收率測(cè)試結(jié)果的影響根據(jù)吸收率測(cè)試的計(jì)算方法，可以通過已知吸收率α的測(cè)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(cè)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(gè)代替激光光束照射來校準(zhǔn)已知吸收率的測(cè)試樣品的方法是在測(cè)試樣品表面加裝一個(gè)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(cè)試樣品之間良好的熱接觸。如為獲得最佳測(cè)試精度和抑制可能的信號(hào)失真(關(guān)于信號(hào)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(duì)準(zhǔn)?？捎靡粋€(gè)空的樣品夾持器或無吸收的測(cè)試樣品來驗(yàn)證測(cè)試裝置不受反射光或雜散光輻射的影響。測(cè)試間隔期間的溫度波動(dòng)幅度應(yīng)至少比吸收率測(cè)試期間的溫升低一個(gè)數(shù)量級(jí)。7.3吸收率測(cè)試光學(xué)元件的吸收率按圖1所示的測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)試。測(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)。測(cè)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(cè)試樣品的溫度，應(yīng)在測(cè)試報(bào)告中注明。測(cè)試條件應(yīng)與元件預(yù)期的使用條件一致。測(cè)試分三個(gè)連續(xù)的時(shí)間區(qū)間進(jìn)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(cè)試樣品表面；——冷卻區(qū)間，至少200s。對(duì)于熱損耗較大的測(cè)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(cè)試時(shí)應(yīng)記錄樣品的溫度信號(hào)T(t)和激光功率信號(hào)P(t)。將量熱數(shù)據(jù)集[tg,T(ta)]和[tk,P(t)]存儲(chǔ)，用于吸收率的計(jì)算。8計(jì)算方法在輻照過程中加熱部件(測(cè)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。可用兩種方法計(jì)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(shí)間最長(zhǎng)至120s,指數(shù)法適用于輻照時(shí)間最少60s。哪種方法更好取決于測(cè)試樣品的性能和測(cè)試環(huán)境(溫度數(shù)據(jù)計(jì)算方法參見附錄C)。8.2溫度漂移的消除在計(jì)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(duì)量熱數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在存在溫度漂移情況下，對(duì)輻照前采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。通過從測(cè)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(jì)算吸收率：…………如是脈沖激光，式(2)中用PAv代替P。指數(shù)法計(jì)算示例如圖2所示。6溫度/溫度/mK200002說明：1——擬合曲線；2相對(duì)溫度。時(shí)間/s圖2指數(shù)法測(cè)試示例8.4脈沖法測(cè)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(cè)量外推溫度Tx。該圖形外推應(yīng)基于A。,B。,γ。三個(gè)參數(shù)對(duì)輻照后記錄的負(fù)斜率溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳擬合的計(jì)算結(jié)果。由式(3)得到三個(gè)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(jì)算見式(4):吸收率測(cè)得計(jì)算見式(5):如是脈沖激光，式(5)中用PAv代替P。脈沖法計(jì)算示例如圖3所示。0.5Yetg/sinh(Ytg/2)當(dāng)0.5≤Y.tg≤2時(shí)，0.5Y.tg/sinh(Y.tg/2)可以近似地計(jì)算為(1-y.2tg2/24)。7GB/T38245—2019溫度/mK溫度/mK0300400500600B時(shí)間/sa)通用信息：1)測(cè)試按照GB/T38245—2019執(zhí)行；2)測(cè)試日期；3)測(cè)試機(jī)構(gòu)名稱地址；b)有關(guān)測(cè)試樣品的信息：2)測(cè)試樣品制造商；5)測(cè)試樣品使用說明。c)關(guān)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的信息： 2)其他相關(guān)測(cè)試設(shè)備描述。2)運(yùn)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(jī)制對(duì)吸收率的測(cè)試會(huì)有影響。一定的輻照劑量會(huì)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(duì)于鍍膜元件，高功率輻照會(huì)造成膜層結(jié)構(gòu)性變化(如后氧化作用)。這會(huì)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(zhǎng)，尤其是紫外波段。對(duì)于超短脈沖，還可能影響對(duì)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(duì)測(cè)試樣品的吸收率有顯著影響，則宜測(cè)定各種功率密度下的吸收率。對(duì)獲得的吸收率數(shù)據(jù)和相應(yīng)的功率密度進(jìn)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(cè)試的其他因素需要考慮以下影響測(cè)試樣品吸收率測(cè)試的因素：——測(cè)試樣品表面清潔不干凈會(huì)增加吸收。GB/T38245—2019(資料性附錄)信號(hào)失真的影響B(tài).1溫度測(cè)試分辨率的影響需要確保溫度升高的幅度比溫度測(cè)試分辨率高很多。B.2散射的影響由測(cè)試元件本身或膜層發(fā)出的散射輻射會(huì)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(diǎn)對(duì)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(cè)試方法是建立在一個(gè)基礎(chǔ)物理模型上，該模型假設(shè)測(cè)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(dòng)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(cè)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(cè)試吸收率時(shí)的溫度動(dòng)力學(xué)不能用這種簡(jiǎn)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(duì)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(duì)于一個(gè)薄的圓柱形測(cè)試樣品(吸收率：1,厚度：3mm,直徑：25mm),模擬了其熱擴(kuò)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(hào)。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(kuò)散系數(shù)和溫度傳感器位于不同的徑向位置計(jì)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(shí)間/s1——r=6mm;2——r=7mm;3——0D模型； =9mm; 圖B.1溫度信號(hào)和熱傳感器位置的依賴性對(duì)不同的熱導(dǎo)熱容比的情況做進(jìn)一步的理論模擬計(jì)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(jì)算得到理論吸收率的比值的形式給出。GB/T3824