ISO 240132023 光學和光子學.激光和激光相關設備.偏振激光輻射用光學元件相位延遲的測量標準立項發展報告

光學和光子學激光和激光相關設備偏振激光輻射用光學元件相位延遲的測量標準立項發展報告StandardizationDevelopmentReport:Opticsandphotonics—Lasersandlaser-relatedequipment—Measurementofphaseretardationofopticalcomponentsforpolarizedlaserradiation摘要激光技術作為現代光學工程與精密制造領域的核心支撐技術，其光束質量控制直接關系到高端裝備、光通信、半導體制造、生物醫療等戰略性產業的性能水平。在激光系統的設計與應用中，偏振態的控制與測量是保障光束質量、提升系統穩定性的關鍵環節，而光學元件相位延遲的準確測量則是實現偏振控制的前提條件。然而，長期以來，相位延遲測量在術語定義、測量條件、試驗方法和數據處理等方面缺乏統一的技術規范，導致不同機構、不同設備之間的測量結果存在顯著差異，嚴重制約了激光器件性能評價的客觀性與可比較性。為應對這一技術瓶頸，國際標準化組織（ISO）依托其下設的ISO/TC172/SC9“激光與激光相關設備”分技術委員會，組織全球多國專家歷經系統研究與反復論證，于2023年6月正式發布了ISO24013:2023《光學和光子學激光和激光相關設備偏振激光輻射用光學元件相位延遲的測量》國際標準。該標準系統地規定了偏振激光輻射用光學元件相位延遲測量的術語體系、測試原理、測量裝置要求、試驗程序、數據處理方法及測量不確定度評定準則，填補了偏振光學元件相位特性國際檢測標準的空白。本報告對該標準的立項背景、編制歷程、關鍵技術內容及其行業應用價值進行了系統闡述，并重點介紹了主要起草單位中國電子科技集團公司第十一研究所的技術貢獻，旨在為國內相關領域的技術人員和管理人員提供全面的標準解讀與實施參考。關鍵詞：相位延遲；偏振激光；光學元件；國際標準；ISO24013；光學測量；偏振計量；激光輻射一、引言激光技術自20世紀60年代問世以來，經過六十余年的發展，已從實驗室研究工具演變為支撐現代工業與科技創新的基礎性技術平臺。在激光材料加工、光通信、激光雷達、精密計量、醫療美容及科學研究等眾多應用場景中，激光束的偏振特性對系統性能具有決定性的影響。例如，在高功率激光加工中，偏振態直接影響材料的吸收效率與加工質量；在干涉測量與量子光學實驗中，偏振態的精確控制則關乎測量精度與實驗結果的可靠性。偏振激光輻射用光學元件——包括波片、偏振片、補償器、電光晶體等——是實現偏振態產生、轉換與檢測的核心器件。這些元件的相位延遲特性，即正交偏振分量通過元件后所產生的相位差，是決定其功能性能的關鍵參數。相位延遲的測量準確度直接影響到偏振光學系統的設計水平、制造質量與使用效果。然而，由于相位延遲測量涉及復雜的光學原理與測量技術，且受波長、溫度、入射角度、環境擾動等多因素影響，各國在測量方法與評價標準上長期缺乏共識，造成同類產品性能指標無法橫向比較，用戶選型困難，制造商的產品質量聲明缺乏統一依據，國際貿易中的技術壁壘也難以消除。在此背景下，制定一項系統、科學、可操作的國際測量標準，已成為全球激光與光學工程領域的共同需求。ISO24013:2023正是在這一迫切需求驅動下應運而生的里程碑式成果。二、標準立項背景與編制歷程2.1行業發展的標準化需求相位延遲測量作為偏振光學領域的核心基礎測量項目，其標準化需求源于多個層面的現實驅動。首先，從技術層面看，相位延遲測量的準確性與可靠性受到測量原理、儀器配置、環境條件及數據處理方法等多重因素的共同影響。國際上普遍采用的光學測量方法包括旋轉波片法（旋轉檢偏器法）、光調制法（含電光調制與光彈調制）、干涉法、光譜法等，各類方法在測量精度、適用范圍、復雜程度與成本上各有優劣。各方法之間的測量結果如何統一、測量不確定度如何評定以及不同實驗室間的比對如何實施，均需統一規范加以約束。其次，從產業層面看，全球偏振光學元件市場規模持續增長，高端激光系統對元件相位延遲指標的要求日趨嚴格（部分精密應用領域要求相位延遲測量不確定度優于λ/300甚至更高）。制造商與用戶之間、產業鏈上下游之間、不同國家和地區的貿易與協作之間，迫切需要一套共同的測量技術語言與合格評定依據。再次，從國際標準體系層面看，ISO/TC172/SC9此前已先后發布了ISO11145（激光和激光相關設備基本術語與定義）、ISO11146（激光束寬度、發散角和光束傳播比的測量）、ISO13694（激光功率密度分布測量）等系列標準，初步建立了激光參數測量標準體系。然而，偏振特性——尤其是相位延遲的測量——在該體系中長期處于空白狀態。ISO24013的制定，正是對這一體系缺口的重要補充。2.2標準編制歷程ISO24013的編制工作經歷了系統而嚴謹的標準化程序。在標準預研階段，ISO/TC172/SC9工作組系統梳理了當時國際上主要的相位延遲測量技術路線與研究文獻，收集了各成員國在偏振元件計量測試領域的技術實踐與法規要求。在此基礎上，工作組明確了標準的適用范圍、技術框架與關鍵術語體系。隨后，標準草案經過多輪委員會草案（CD）和國際標準草案（DIS）階段的意見征集與修改完善，各成員國專家就測量方法的統一性、不確定度評定的可操作性、標準適用對象的邊界定義等技術細節進行了深入討論。2022年前后，標準進入最終國際標準草案（FDIS）投票階段，并順利通過。最終，ISO24013:2023于2023年6月30日正式出版發布，標準語言為英語，歸類于國際標準分類法（ICS）中的光電子學、激光設備類目。2.3與相關標準的關系ISO24013:2023的發布，與ISO/TC172/SC9已發布的系列標準共同構成了激光參數測量的完整標準簇。在術語定義方面，ISO24013與ISO11145形成了銜接關系，其術語體系繼承了ISO11145中關于偏振與光學元件的基本定義框架。在測量方法方面，ISO24013與ISO15367（激光束波前相位測量）在測量原理上互為補充，前者關注元件本征的偏振特性參數，后者聚焦光束空間相位分布。此外，ISO24013的國際測量方法屬性和適用范圍也與國際激光計量領域的量值溯源體系（如國際計量局框架下的光學輻射計量比對）密切相關。三、標準主要內容與技術要點3.1標準范圍與適用對象ISO24013:2023規定了偏振激光輻射用光學元件相位延遲的測量方法，適用于在激光系統中使用的各類偏振光學元件的相位延遲測量。其適用對象涵蓋但不限于：多級和零級波片、液晶相位延遲器、電光調制器中的晶體元件、偏振補償器以及其他需要在偏振設計中明確相位延遲參數的透射型光學元件。該標準適用于在激光波長范圍內工作的光學元件，包括連續波和脈沖激光兩種工作模式。需要說明的是，本標準的范圍界定在折射型光學元件的透射式相位延遲測量，對于反射式偏振元件、偏振分光元件以及非光學類的相位調控器件（如微波段器件），標準未做具體規定，使用者需結合其他適用標準或技術規范執行。3.2術語與定義標準系統定義了相位延遲測量領域的關鍵術語，包括：相位延遲（phaseretardation）、快軸方向（fastaxisorientation）、偏振態（stateofpolarization）、線性偏振度（degreeoflinearpolarization）、測量波長（measurementwavelength）與參考坐標系（referencecoordinatesystem）等。上述術語的統一定義為不同測量方法之間的結果互換性和可比性奠定了概念基礎。3.3測量原理與方法分類ISO24013:2023在技術內容上涵蓋了多種相位延遲測量方法，并對其適用范圍和操作規程做了詳細規定。標準中涉及的典型測量方法包括：-旋轉檢偏器法：基于透過被測元件后偏振態在檢偏器旋轉過程中的光強變化，通過傅里葉分析提取相位延遲量。該方法適用于中等精度需求的常規檢測場景。-光彈調制法：利用光彈調制器對光束偏振態進行高頻調制，通過鎖相放大技術提取相位延遲信號，具有測量速度快、信噪比高、實時性好等優點，適用于在線檢測和動態測量場景。-補償法（如巴比涅-索萊爾補償器法）：通過引入已知可調相位延遲對被測元件的相位延遲進行平衡補償，尋找消光位置獲得高精度測量結果。此類方法測量精度高，適合精密計量與校準場景。-光譜法：利用寬譜光源與光譜儀相結合，通過分析透射光譜的調制特征同時獲取相位延遲量與快軸方向信息，適用于寬波段元件的表征。標準對各測量方法的裝置構成、光學布局、調試步驟、環境要求、采樣策略以及數據處理算法給出了詳盡的技術描述和推薦方案。3.4測量條件與裝置要求為保證測量結果的準確性與可復現性，ISO24013:2023對測量環境和裝置提出了明確要求。在環境條件方面，標準規定了溫度范圍、濕度限值及氣流穩定性要求；在光源方面，對光源的波長穩定性、譜線寬度、功率穩定性及偏振純度提出了量化指標；在探測器方面，則涵蓋線性響應范圍、噪聲特性、飽和閾值與空間均勻性等內容。這些規定系統性地減少了環境與儀器因素引入的系統誤差，為不同實驗室間的測量結果比對提供了基礎條件。3.5測量不確定度評定測量不確定度的量化評定是本標準在方法論上的一大亮點。ISO24013:2023引入ISO/IEC指南98系列（測量不確定度評定指南，GUM）中規定的測量不確定度評估框架，給出了相位延遲與快軸方向測量的不確定度傳播模型，系統梳理了不確定度來源分類（A類評定與B類評定），并給出了典型裝置的合成標準不確定度計算示例。這一方法論的納入使相位延遲測量結果能夠在國際計量體系下實現可溯源性評價，增強了測量的科學可信度。四、主要起草單位介紹ISO24013:2023的編制凝聚了國際標準化組織框架下多個成員國專家的集體智慧，其中，中國專家和中國技術力量在標準編制過程中作出了突出貢獻。作為國內激光與光電子領域的核心科研力量，中國電子科技集團公司第十一研究所（以下簡稱“十一所”）深度參與了本標準的研制工作，并在關鍵技術研究、實驗驗證及標準文本編制等方面發揮了重要作用。十一所成立于1956年，是中國電子科技集團旗下從事激光與紅外技術研究的專業骨干研究所，長期致力于激光器件、激光系統、光電探測與光電對抗等領域的基礎研究、應用開發與裝備研制工作。在偏振光學與激光計量測試方向，十一所建有國內領先的光學計量測試實驗室，具備高精度偏振元件檢測、激光參數計量標準建立與量值傳遞的技術能力。在本標準制定過程中，十一所專家團隊基于本單位多年的偏振測試實踐經驗，重點在以下方面作出了技術貢獻：其一，在測量方法驗證方面，十一所搭建了多種測量原理的對比測試平臺，利用標準波片等參考樣品對標準草案中推薦的測量方法進行了充分的實驗驗證，為相關技術條款的合理性提供了數據支撐；其二，在不確定度評估方面，十一所團隊結合國家計量技術規范的相關要求，提出了不確定度分量分析與合成方法的建議，促進了國際標準與我國計量技術規范的協調銜接；其三，在術語與定義環節，十一所專家積極參與討論，保障了標準文本的嚴謹性與中文語境下的適用性。十一所不僅是在ISO24013標準制定中的深度參與單位，也是我國偏振光學計量測試領域國家標準與行業標準的主要起草力量。該所長期以來在激光參數測試、光學元件性能評價及光電測量儀器校準方面的豐富技術積累，使其在國際標準制定中發揮著不可替代的“中國智慧”作用，為我國在該領域的國際話語權提升作出了積極貢獻。五、標準應用價值與行業影響5.1對光學制造業的規范作用光學元件制造企業是ISO24013:2023最直接的受益者之一。標準實施前，各企業依據內部規范或客戶指定方法進行相位延遲測量，檢測條件、方法與判據各異，產品合格判定的口徑不一。標準發布后，統一的測量方法與國際通行的檢測規則為企業提供了明確的技術遵循，既有利于企業提升產品質量一致性與檢測效率，也為其產品進入國際市場掃除了技術壁壘。特別是對于面向出口的高端波片、偏振器件制造企業而言，依據ISO24013實施檢測可顯著增強產品的國際公信力。5.2對激光系統集成與應用產業的促進作用對于激光器及激光系統集成商而言，偏振光學元件相位延遲的準確測量是系統設計與裝調的重要保障。在激光加工、光通信、精密測量和科研應用等下游領域，系統級性能的優化依賴于對每一個偏振元件的精確表征。ISO24013:2023的實施為系統集成商提供了選型驗收和來料檢驗的標準化依據，有助于縮短系統調試周期、降低研制風險并提升整機性能的一致性。5.3對計量檢測與標準化體系的提升作用ISO24013:2023的發布填補了偏振光學元件相位延遲國際檢測標準的空白，為各級計量技術機構開展相關校準與檢測服務提供了權威依據。標準引入的不確定度評估框架進一步促進了國內相關計量技術規范與國際標準的協調一致，對于完善我國光學計量技術體系、推進計量校準能力國際互認具有積極的推動作用。5.4國際貿易與技術交流的支