ISO 21254-1:2011
(Main)Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold — Part 1: Definitions and general principles
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold — Part 1: Definitions and general principles
ISO 21254-1:2011 defines terms used in conjunction with, and the general principles of, test methods for determining the laser-induced damage threshold and for the assurance of optical laser components subjected to laser radiation.
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement provoqué par laser — Partie 1: Définitions et principes de base
L'ISO 21254-1:2011 définit les termes et les principes de base des méthodes d'essai permettant de déterminer le seuil d'endommagement provoqué par laser et de vérifier les composants optiques du laser soumis à un rayonnement laser.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 21254-1
First edition
2011-07-15
Lasers and laser-related equipment —
Test methods for laser-induced damage
threshold —
Part 1:
Definitions and general principles
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai
du seuil d'endommagement provoqué par laser —
Partie 1: Définitions et principes de base
Reference number
©
ISO 2011
© ISO 2011
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction.v
1 Scope.1
2 Normative references.1
3 Terms and definitions .2
4 Symbols and units of measurement.3
5 Sampling.4
6 Test methods .4
6.1 Principle.4
6.2 Apparatus.5
6.3 Preparation of specimens.10
6.4 Procedure.10
7 Accuracy.11
8 Test report.11
Annex A (informative) Units and scaling of laser-induced damage thresholds.13
Bibliography.14
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 21254-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee SC 9,
Electro-optical systems.
This first edition of ISO 21254-1:2011, together with ISO 21254-2:2011, cancels and replaces
ISO 11254-1:2000 and ISO 11254-2:2001, which have been technically revised.
ISO 21254 consists of the following parts, under the general title Lasers and laser-related equipment — Test
methods for laser-induced damage threshold:
⎯ Part 1: Definitions and general principles
⎯ Part 2: Threshold determination
⎯ Part 3: Assurance of laser power (energy) handling capabilities
⎯ Part 4: Inspection, detection and measurement [Technical Report]
iv © ISO 2011 – All rights reserved
Introduction
Optical components can be damaged by laser irradiation of sufficiently high energy or power. At any specified
laser irradiation level and operation mode of the laser source, the probability for laser damage is usually
higher for the surface of a component than for the bulk. Thus, the limiting value of an optical component is
frequently given by the damage threshold of its surface which might be coated to influence the optical
properties. Bulk damage is observed if the electrical field strength in the bulk of the component is enhanced by
self-focusing, interference, scattering or other effects. Also, imperfections, such as inclusions, dislocations,
colour centres or inhomogeneities, can reduce the power-handling capability in the bulk of an optical
component. Damage by single laser pulses is often induced by defects or mechanical stress in the coating,
contamination of the surface, or optical absorption, leading to catastrophic heating of the surface. For multiple-
pulse operation, not only reversible mechanisms induced by thermal heating and distortion but also
irreversible damage mechanisms induced by ageing, microdamage, moisture damage and generation or
migration of defects are observed. The various parts of this International Standard are concerned with the
determination of irreversible damage of the optical surfaces and the bulk of an optical component under the
influence of a laser beam. Depending on the environmental conditions, damage is a function of the material
properties and the laser parameters, in particular wavelength, spot size and irradiation duration.
This part of ISO 21254 is dedicated to the fundamentals and general principles of the measurement of laser-
induced damage thresholds (LIDTs). On the basis of the apparatus and measurement protocols described in
ISO 21254-1, ISO 21254-2 and ISO 21254-3, this part of ISO 21254 outlines procedures for damage testing
under different conditions. The protocols for the determination of the 1-on-1 and S-on-1 damage thresholds
are described in ISO 21254-2. The 1-on-1 test is a damage threshold measurement procedure that uses one
shot of laser radiation on each unexposed site on the specimen surface. In contrast to this, the S-on-1
measurement programme is based on a series of pulses with constant energy density applied to each
unexposed site of the specimen surface. This test reflects the operational conditions of the sample in typical
applications but, compared to the 1-on-1 measurement protocol, the experimental effort necessary for S-on-1
tests is significantly higher. ISO 21254-3 concentrates on the assurance of the power or energy density
handling capability of optical surfaces, leaving samples that pass the test undamaged. ISO/TR 21254-4, which
considers damage detection methods and the inspection of tested surfaces, is a Technical Report which
complements ISO 21254-1.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 21254-1:2011(E)
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-
induced damage threshold —
Part 1:
Definitions and general principles
WARNING — The extrapolation of damage data can lead to an overestimation of the laser-induced
damage threshold. In the case of toxic materials (e.g. ZnSe, GaAs, CdTe, ThF , chalcogenides, Be,
Cr, Ni), this can lead to serious health hazards. See Annex A for further comments.
1 Scope
This part of ISO 21254 defines terms used in conjunction with, and the general principles of, test methods for
determining the laser-induced damage threshold and for the assurance of optical laser components subjected
to laser radiation.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 10110-7, Optics and photonics — Preparation of drawings for optical elements and systems — Part 7:
Surface imperfection tolerances
ISO 11145, Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and symbols
ISO 11146-1, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam widths, divergence angles
and beam propagation ratios — Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams
ISO 11146-2, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam widths, divergence angles
and beam propagation ratios — Part 2: General astigmatic beams
ISO 21254-2, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold —
Part 2: Threshold determination
ISO 21254-3, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold —
Part 3: Assurance of laser power (energy) handling capabilities
ISO/TR 21254-4, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold —
Part 4: Inspection, detection and measurement
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 11145 and the following apply.
3.1
surface damage
any permanent laser-radiation-induced change in the characteristics of the surface of the specimen which can
be observed by an inspection technique and at a sensitivity related to the intended operation of the product
concerned
NOTE Damage may occur on the front surface or the rear surface of the optical component. The damage threshold
value for the front surface may differ from that for the rear surface.
3.2
bulk damage
any permanent laser-radiation-induced change in the characteristics of the bulk of the specimen which can be
observed by an inspection technique and at a sensitivity related to the intended operation of the product
concerned
3.3
1-on-1 test
test programme that uses one shot of laser radiation on each unexposed site on the specimen surface
3.4
linear power density
F
th
linear power density threshold, expressed in watts per centimetre (W/cm), above which damage might occur
NOTE The linear power density is applicable for cw and long-pulse operation. For laser damage considerations, a
1/2
long pulse is assumed when the thermal transit distance (2Dτ ) , where D is the thermal diffusivity, is of the same order
eff
of size as the test spot diameter d .
T,eff
3.5
S-on-1 test
test programme that uses a series of pulses with constant energy density on each unexposed site with a short
and constant time interval between two successive pulses, where the length of the time interval between the
pulses of a series is given by the reciprocal of the pulse repetition rate of the laser source
3.6
number of shots per interrogation site
S
number of pulses in a pulse train used in an S-on-1 test
3.7
threshold
highest quantity of laser radiation incident upon the optical component for which the extrapolated probability of
damage is zero, where the quantity of laser radiation may be expressed as energy density H , power density
th
E , or linear power density F
th th
3.8
target plane
plane tangential to the surface of the specimen at the point of intersection of the test laser beam axis with the
surface of the specimen
3.9
effective area
A
T,eff
ratio of pulse energy to maximum energy density of the laser pulse in the target plane
NOTE For spatial beam profiling perpendicular to the direction of beam propagation and for angles of incidence
differing from 0 rad, the cosine of the angle of incidence is included in the calculation of the effective area.
2 © ISO 2011 – All rights reserved
3.10
effective beam diameter
d
T,eff
double the square root of the effective area divided by π:
A
T,eff
d = 2 (1)
T,eff
π
3.11
effective pulse duration
τ
eff
ratio of pulse energy to peak pulse power of the pulse
3.12
typical pulse
pulse with temporal and spatial shapes that represent the average properties of the pulses forming a pulse
series used in an S-on-1 test
3.13
minimum number of pulses
N
min
number of incident pulses necessary to cause detectable damage
3.14
characteristic damage curve
representation of the S-on-1 laser-induced damage threshold as a function of the number of pulses per site at
a specified pulse repetition rate
4 Symbols and units of measurement
The symbols and units of measurement used are the following:
Symbol Unit Term
λ nm wavelength
α rad angle of incidence
p degree of polarization
d mm beam diameter in the target plane
T
d mm effective beam diameter in the target plane
T,eff
A cm effective area in the target plane
T,eff
τ s pulse duration
H
τ s effective pulse duration
eff
f Hz pulse repetition rate
p
P W average power
av
Q J pulse energy
F W/cm maximum linear power density
max
E W/cm maximum power density
max
H J/cm maximum energy density
max
P W peak pulse power
pk
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 21254-1
Première édition
2011-07-15
Lasers et équipements associés
aux lasers — Méthodes d'essai du seuil
d'endommagement provoqué par laser —
Partie 1:
Définitions et principes de base
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced
damage threshold —
Part 1: Definitions and general principles
Numéro de référence
©
ISO 2011
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Fax + 41 22 749 09 47
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Publié en Suisse
ii © ISO 2011 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction.v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Termes et définitions .2
4 Symboles et unités de mesure.3
5 Échantillonnage.4
6 Méthodes d'essai.4
6.1 Principe.4
6.2 Appareillage .6
6.3 Préparation des échantillons .11
6.4 Mode opératoire.11
7 Exactitude.12
8 Rapport d'essai.12
Annexe A (informative) Unités et échelles du seuil d'endommagement provoqué par laser .14
Bibliographie.15
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 21254-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-comité SC 9,
Systèmes électro-optiques.
Cette première édition de l'ISO 21254-1:2011, conjointement à l'ISO 21254-2:2011, annule et remplace
l'ISO 11254-1:2000 et l'ISO 11254-2:2001, qui ont fait l'objet d'une révision technique.
L'ISO 21254 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Lasers et équipements associés
aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement provoqué par laser:
⎯ Partie 1: Définitions et principes de base
⎯ Partie 2: Détermination du seuil
⎯ Partie 3: Possibilités de traitement par puissance (énergie) laser
⎯ Partie 4: Inspection, détection et mesurages [Rapport technique]
iv © ISO 2011 – Tous droits réservés
Introduction
Les rayonnements laser ayant une énergie ou une puissance suffisamment élevée peuvent endommager les
composants optiques. Quel que soit le niveau d'exposition au rayonnement laser et le mode de
fonctionnement de la source laser, la probabilité d'endommagement par laser est habituellement plus élevée
en surface que dans la masse d'un composant. Le seuil d'endommagement d'un composant optique est donc
souvent assimilé à celui de sa surface qui peut être traitée pour modifier les propriétés optiques. Un
endommagement volumique est observé lorsque l'intensité du champ électrique dans le volume du
composant est augmentée par autofocalisation, interférence, diffusion ou d'autres effets. Des défauts, tels que
des défauts, des dislocations, des centres colorés ou des inhomogénéités, peuvent réduire la tenue en
puissance dans la masse d'un composant optique. L'endommagement provoqué par des impulsions laser
uniques est souvent induit par des défauts ou une contrainte mécanique dans le revêtement, une
contamination de la surface ou une absorption optique entraînant un échauffement catastrophique de la
surface. Pour un fonctionnement à impulsions multiples, en plus des mécanismes réversibles induits par
l'échauffement et la distorsion, des mécanismes d'endommagement irréversibles supplémentaires dus au
vieillissement, aux microdommages, à l'humidité et à l'apparition ou au déplacement de défauts sont observés.
Les diverses parties de la présente Norme internationale concernent la détermination de l'endommagement
irréversible des surfaces optiques et de la masse d'un composant optique soumis à l'influence d'un faisceau
laser. Selon les conditions d'environnement, l'endommagement est une fonction des propriétés du matériau et
des paramètres du laser, en particulier de la longueur d'onde, de la dimension du faisceau et de la durée
d'irradiation.
La présente partie de l'ISO 21254 est dédiée aux principes fondamentaux et généraux relatifs au mesurage
des seuils d'endommagement provoqué par laser. En se fondant sur l'appareillage et les protocoles de
mesure décrits dans l'ISO 21254-1, l'ISO 21254-2 et l'ISO 21254-3, elle décrit des modes opératoires
permettant d'évaluer l'endommagement dans différentes conditions. Les protocoles permettant de déterminer
les seuils d'endommagement 1 sur 1 et S sur 1 sont décrits dans l'ISO 21254-2. L'essai 1 sur 1 est une
méthode de mesure du seuil d'endommagement qui utilise une irradiation unique de chaque site non exposé
de la surface de l'échantillon. En revanche, le programme de mesure S sur 1 est fondé sur l'application d'une
série d'impulsions ayant une densité d'énergie constante sur chaque site non exposé de la surface de
l'échantillon. Cet essai reflète les conditions de fonctionnement de l'échantillon dans des applications typiques,
mais, par rapport au protocole de mesure 1 sur 1, les essais S sur 1 engendrent des coûts expérimentaux
nettement plus élevés. L'ISO 21254-3 est centrée sur la vérification de la capacité des surfaces optiques à
supporter la densité de puissance ou d'énergie, les échantillons ayant satisfait à l'essai étant non
endommagés. L'ISO/TR 21254-4, relatif aux méthodes de détection de l'endommagement et au contrôle des
surfaces soumises à essai, est un complément de l'ISO 21254-1.
NORME INTERNATIONALE ISO 21254-1:2011(F)
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai
du seuil d'endommagement provoqué par laser —
Partie 1:
Définitions et principes de base
AVERTISSEMENT — L'extrapolation des données d'endommagement peut conduire à des résultats de
calcul erronés et à une surestimation du seuil d'endommagement. Dans le cas de matériaux toxiques
(par exemple ZnSe, GaAs, CdTe, ThF chalcogénures, Be, Cr, Ni), cela peut engendrer de sérieux
4,
risques pour la santé. Voir l'Annexe A pour des commentaires supplémentaires.
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 21254 définit les termes et les principes de base des méthodes d'essai permettant
de déterminer le seuil d'endommagement provoqué par laser et de vérifier les composants optiques du laser
soumis à un rayonnement laser.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 10110-7, Optique et photonique — Indications sur les dessins pour éléments et systèmes optiques —
Partie 7: Tolérances d'imperfection de surface
ISO 11145, Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et symboles
ISO 11146-1, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai des largeurs du faisceau,
angles de divergence et facteurs de limite de diffraction — Partie 1: Faisceaux stigmatiques et astigmatiques
simples
ISO 11146-2, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai des largeurs du faisceau,
angles de divergence et facteurs de limite de diffraction — Partie 2: Faisceaux astigmatiques généraux
ISO 21254-2, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement
provoqué par laser — Partie 2: Détermination du seuil
ISO 21254-3, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement
provoqué par laser — Partie 3: Possibilités de traitement par puissance (énergie) laser
ISO/TR 21254-4, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil
d'endommagement provoqué par laser — Partie 4: Inspection, détection et mesurages
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 11145 ainsi que les
suivants s'appliquent.
3.1
endommagement de surface
toute modification permanente des caractéristiques de la surface d'un échantillon, provoquée par un
rayonnement laser et pouvant être observée par une technique de contrôle avec une sensibilité en rapport
avec l'application prévue du produit
NOTE L'endommagement peut se produire sur la face avant ou la face arrière du composant optique. La valeur du
seuil d'endommagement de la face avant peut être différente de celle de la face arrière.
3.2
endommagement volumique
toute modification permanente des caractéristiques du volume d'un échantillon, provoquée par un
rayonnement laser et pouvant être observée par une technique de contrôle avec une sensibilité en rapport
avec l'application prévue du produit
3.3
essai 1 sur 1
programme d'essai qui utilise une irradiation unique de chaque site non exposé de la surface de l'échantillon
3.4
densité de puissance linéaire
F
th
seuil de densité de puissance linéaire, exprimé en watts par centimètre (W/cm), au-delà duquel un
endommagement peut se produire
NOTE La densité de puissance linéaire s'applique à un fonctionnement continu et à impulsions longues. En ce qui
concerne l'endommagement provoqué par laser, une impulsion longue est supposée lorsque la distance de transfert
1/2
thermique (2Dτ,eff) , où D, la diffusivité thermique, est de l'ordre de la valeur du diamètre du faisceau d'essai, d .
T,eff
3.5
essai S sur 1
programme d'essai qui utilise une série d'impulsions ayant une densité d'énergie constante sur chaque site
non exposé avec un intervalle de temps court et constant entre deux impulsions successives, la longueur de
l'intervalle de temps entre les impulsions d'une série étant donnée par la valeur inverse de la fréquence de
répétition de la source laser
3.6
nombre d'irradiations par site d'examen
S
nombre d'impulsions d'un train d'impulsions utilisé dans un essai S sur 1
3.7
seuil
plus grande quantité de rayonnement laser incident sur le composant optique pour laquelle la probabilité
extrapolée d'endommagement est nulle, où la quantité de rayonnement laser peut être exprimée en densité
d'énergie, H , densité de puissance, E , ou densité de puissance linéaire, F
th th th
3.8
plan cible
plan tangentiel à la surface de l'échantillon, au point d'intersection de l'axe du faisceau laser d'essai avec la
surface de l'échantillon
2 © ISO 2011 – Tous droits réservés
3.9
surface effective
A
T,eff
rapport de l'énergie d'impulsion à la densité d'énergie maximale de l'impulsion laser dans le plan cible
NOTE Pour un profil spatial de faisceau perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau et pour les angles
d'incidence différents de 0 rad, le cosinus de l'angle d'incidence est inclus dans le calcul de la surface effective.
3.10
diamètre effectif du faisceau
d
T,eff
deux fois la racine carrée de la s
...
Questions, Comments and Discussion
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