ISO 21254-2:2011
(Main)Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold — Part 2: Threshold determination
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold — Part 2: Threshold determination
ISO 21254-2:2011 describes 1-on-1 and S-on-1 tests for the determination of the laser-induced damage threshold of optical laser components. It is applicable to all types of laser and all operating conditions.
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement provoqué par laser — Partie 2: Détermination du seuil
L'ISO 21254-2:2011 définit la détermination du seuil d'endommagement 1 sur 1 et S sur 1 provoqué par un rayonnement laser sur des composants optiques pour laser. Elle s'applique à tous les types de lasers et de conditions de fonctionnement.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 21254-2
First edition
2011-07-15
Lasers and laser-related equipment —
Test methods for laser-induced damage
threshold —
Part 2:
Threshold determination
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai
du seuil d'endommagement provoqué par laser —
Partie 2: Détermination du seuil
Reference number
ISO 21254-2:2011(E)
©
ISO 2011
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ISO 21254-2:2011(E)
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Published in Switzerland
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ISO 21254-2:2011(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction.v
1 Scope.1
2 Normative references.1
3 Terms and definitions .1
4 Test methods .1
4.1 General .1
4.2 1-on-1 test method .1
4.3 S-on-1 test method .3
5 Accuracy.7
6 Test report.7
6.1 General .7
6.2 1-on-1 test.8
6.3 S-on-1 test .8
Annex A (informative) Example of a measurement procedure (1-on-1 test).9
Annex B (informative) Example of a test report for a 1-on-1 test.15
Annex C (informative) Example of a measurement procedure (S-on-1 test) .20
Annex D (informative) Example of a test report for an S-on-1 test.24
Annex E (informative) Extrapolation method for S-on-1 tests .31
Annex F (informative) Conversion of damage data into defect densities.33
Bibliography.36
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ISO 21254-2:2011(E)
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 21254-2 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee SC 9,
Electro-optical systems.
This first edition of ISO 21254-2:2011, together with ISO 21254-1:2011, 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]
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ISO 21254-2:2011(E)
Introduction
This part of ISO 21254 specifies test methods for determining single-shot and multiple-shot laser-induced
damage thresholds (LIDTs) of optical components, both coated and uncoated. The aim is to provide methods
which will enable measurement results to be obtained which are consistent and can be rapidly and accurately
compared between different test laboratories.
In the single-shot test, which is referred to as the 1-on-1 test in this International Standard, each unexposed
site on the sample surface is subjected to only one pulse of laser radiation. Repeated laser radiation pulses
can damage optical components, or otherwise cause them to deteriorate, at irradiation levels below those
measured for single-shot damage. Besides reversible effects induced by thermal heating and distortion,
irreversible damage due to ageing, microdamage and the generation or migration of defects is observed. The
degradation of the optical quality is a function of the laser operating parameters and the optical system in
which the component is located. The multiple-shot test, referred to as the S-on-1 test, is based on a protocol
that uses a series of pulses with constant energy density at each unexposed test site.
In addition to an evaluation technique based on the survival curve for 1-on-1 tests, this part of ISO 21254 also
describes two methods for the reduction of raw data obtained from S-on-1 damage tests: one using the
characteristic damage curve and the other an extrapolation technique. The characteristic damage curve
method calls for S-on-1 testing at a large number of sites on the optical surface of the specimen and
generation of a set of three graphs indicating energy density values corresponding to probabilities of damage
of 10 %, 50 % and 90 % for a selected number of pulses. The characteristic damage curve represents the
results of a complete and extended laser-induced damage test, and it is recommended for basic investigations
in newly developed or critical laser optics. The second method of S-on-1 testing, the extrapolation method,
uses a considerably smaller number of test sites. This method generates a distribution diagram of the
damaged and undamaged regions for the behaviour of the damage threshold as a function of the number of
pulses per site. This diagram is of limited reliability but may be employed for the quality control of optical laser
components which have already been qualified by a complete damage test or as part of the preparation for
extended damage testing.
9
Realistic laser damage tests suitable for industrial applications require a large number of pulses (10 to
11
10 pulses) and hence involve a disproportionate experimental cost. This part of ISO 21254 therefore also
outlines a procedure for obtaining the S-on-1 threshold by extrapolation of the characteristic damage curve in
order to estimate the real lifetime of an optical component.
NOTE It should be realized that the laser-induced damage threshold of an optical component which is subjected to
repeated pulses of radiation can be affected by a variety of different degradation mechanisms, including contamination,
thermal heating, migration or generation of internal defects, and structural changes. These mechanisms are influenced by
the laser operating parameters, the environment and the component mounting conditions. For these reasons, it is
necessary to record all the parameters and to bear in mind that the damage behaviour might differ in tests carried out in
different operating conditions.
The test procedures described in this part of ISO 21254 are applicable to all combinations of laser
wavelengths and pulse lengths. However, comparison of laser damage threshold data can be misleading
unless the measurements have been carried out at the same wavelength, using the same pulse length and
beam diameter. Definitions and the general principles of laser-induced damage threshold measurements are
given in ISO 21254-1.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 21254-2:2011(E)
Lasers and laser-related equipment — Test methods
for laser-induced damage threshold —
Part 2:
Threshold determination
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,
4
Cr, Ni), this can lead to serious health hazards. See ISO 21254-1:2011, Annex A, for further comments.
1 Scope
This part of ISO 21254 describes 1-on-1 and S-on-1 tests for the determination of the laser-induced damage
threshold of optical laser components. It is applicable to all types of laser and all operating conditions.
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 11145, Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and symbols
ISO 21254-1:2011, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage
threshold — Part 1: Definitions and general principles
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 11145 and ISO 21254-1 apply.
4 Test methods
4.1 General
The general principles of laser-induced damage threshold measurements, and the apparatus and sampling
techniques used, are described in ISO 21254-1.
4.2 1-on-1 test method
4.2.1 General
In the 1-on-1 test, each unexposed site on the surface of the sample is exposed to a single laser pulse with
defined beam parameters. From the experimental data, a plot depicting the probability of damage as a
function of the energy density or power density is constructed.
© ISO 2011 – All rights reserved 1
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ISO 21254-2:2011(E)
4.2.2 Test parameters
The test equipment shall be characterized by the parameters described in ISO 21254-1:2011, 6.2.6.5.
4.2.3 Procedure
Test sites are positioned in the beam and irradiated by single shots of laser radiation with different energy
densities or power densities. Expose a minimum of ten sites to one preselected pulse energy (or beam power)
and record, for each site, the actual pulse energy (or beam power) measured by the beam diagnostic unit as
well as the state of damage after irradiation (damage or no damage). Repeat this sequence for other pulse
energies or beam powers. The range of pulse energies or beam powers employed shall be sufficiently broad
to include low values which result in no damage at any site and sufficiently high values which induce damage
at each site tested.
4.2.4 Evaluation of measurements
Damage threshold data are obtained by the damage-probability method. To construct a plot of the probability
of damage versus the quantity in terms of which the laser-induced damage threshold is to be expressed, the
probability of damage is determined for each energy-density or power-density increment by calculating the
ratio of the number of damaged sites to the total number of sites tested. Linear extrapolation of the damage-
probability data to zero damage probability yields the threshold value. An example is shown in Figure 1.
Key
X energy, in millijoules
Y damage probability
NOTE The test conditions were as follows: d = 1,44 mm, λ = 10,6 µm, τ = 100 ns, tail 3,5 µs (TEA CO laser),
86,5 H 2
specimens: KBr windows, 50 items, diameter 40 mm.
Figure 1 — Graph for the determination of the damage threshold from experimental data
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ISO 21254-2:2011(E)
In the case of a laser system with a high pulse-to-pulse energy variation, it is permissible to expose the
specimen to arbitrary pulse energies and to sort the data with respect to appropriate energy intervals after the
test.
NOTE 1 Examples of an efficient measurement procedure giving maximum accuracy for a given number of sites are
presented in Annex A and Annex C for the 1-on-1 and the S-on-1 test, respectively.
NOTE 2 The diameter of the test beam at the specimen position can influence the measurement result. Therefore, the
beam diameter has to be kept constant throughout the entire measurement procedure.
4.3 S-on-1 test method
4.3.1 General
To determine the S-on-1 damage threshold, extensions of the set-up and procedure for 1-on-1 test damage
threshold measurement are necessary. However, a measurement facility for S-on-1 tests can be used for
1-on-1 measurements if the online damage-detection system is combined with a Nomarski-type differential
interference contrast microscope. It is recommended that the online damage-detection system have a facility
for cutting off subsequent pulses and for stopping the pulse counter.
4.3.2 Test parameters
The test equipment shall be characterized by the parameters described in ISO 21254-1:2011, 6.2.6.5, and the
following additional parameters:
a) number of pulses per site S;
b) total number of sites per test N .
ts
NOTE For the S-on-1 test, the parameters given in ISO 21254-1:2011, 6.2.6.5 d) to g), refer to the properties of the
typical pulse defined in ISO 21254-1:2011, 6.2.6.4.
4.3.3 Procedure
An unexposed test site is positioned in the beam and irradiated by a series of S pulses, the pulse typical of the
series having an energy Q . If damage is observed by the online damage detection system before the series
tp
of S pulses is completed, stop the irradiation of the site and record the minimum number of pulses N .
min
Repeat this procedure for different energies of the typical pulse. The number of pulses S shall be constant for
the entire test procedure, and it shall be selected such that the S-on-1 test records the specific laser-induced
damage behaviour of the specimen.
4.3.4 Evaluation of measurements
4.3.4.1 General
After inspecting the specimen, the result of the S-on-1 test described above is a file of data points of the type
(Q , N ), where N u S in the case of damage,
tp min min
(Q , S) when no damage is detected
tp
The evaluation of the data obtained (see Figure 2) may be performed using the characteristic damage curve
(see 4.3.4.2) or the extrapolation method (see 4.3.4.3). The method using the characteristic damage curve
allows accurate determination of the laser-induced damage threshold. This accurate technique should be
used for fundamental investigations and for the testing of prototype components. The extrapolation method,
on the other hand, is a practical technique for estimating the S-on-1 threshold for a large number of pulses.
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ISO 21254-2:2011(E)
4.3.4.2 Characteristic damage curve
The procedure for determining the S-on-1 damage threshold (see 4.3.3) is carried out and the resulting file of
data points is recorded. For the evaluation to have sufficient significance, a minimum number N of sites
ms
shall be tested for each energy value Q of the typical pulse. This minimum number of sites N can be
tp ms
approximated by the following relationship:
N = 5 × integral value of (1 + log S) (1)
ms 10
The range of typical-pulse energies Q employed shall be sufficiently broad to include points corresponding to
tp
zero probability of damage as well as points corresponding to 100 % probability of damage.
Damage-probability values for a defined number N of pulses and a specified energy Q are calculated on the
basis of the following data-reduction technique.
The energy scale is divided into a series of intervals [Q − ∆Q, Q + ∆Q) covering the energy range accessible
with the experimental set-up. For the calculation of the damage probability for a certain energy Q and for a
selected number N of pulses, data points with Q = [Q − ∆Q, Q + ∆Q) are selected from the file of data points.
tp
Data points with N u N correspond to sites which are damaged, whereas data points with N > N or S W N
min min
correspond to sites not damaged in the energy interval considered. The damage probability for the energy Q is
calculated as the ratio of the number of data points corresponding to damaged sites to the total number of
data points considered in the evaluation.
NOTE 1 The value of ∆Q has to be chosen such that a significant fraction of data points is available for a distinct interval
[Q − ∆Q, Q + ∆Q). The value of ∆Q is kept constant during the evaluation procedure, and it determines the statistical error
of the threshold values. An example of an efficient measurement procedure with suitably selected parameters is given in
Annex C.
This procedure is repeated for other values of the energy Q to generate a data set of damage-probability
values for the selected number N of pulses. The resulting data set represents discrete points on a damage-
probability curve which is plotted versus the energy of the typical pulse. From this curve, the energy values
Q , Q and Q for the corresponding damage-probability values of 10 %, 50 % and 90 % are deduced by
10 50 90
extrapolation.
Linear extrapolation of the damage-probability curve to zero damage probability yields the threshold energy
(see 4.2.4) which shall be converted into units of threshold energy density H or threshold power density E .
th th
Linear extrapolation using the two data points next to the targeted damage probability is sufficient. If a large
number of data points are available, more sophisticated extrapolation methods are permitted. The
extrapolation procedure used shall be stated in the test report.
In Figure 2, data points corresponding to damaged spots are represented by and those corresponding to
undamaged spots are represented by o. The evaluation procedure used for the damage-probability method is
illustrated by the interval [Q − ∆Q, Q + ∆Q) marked on the graph. More than one point can occur for a specific
data pair (Q , S) or (Q , N ) during the test. The number of points for a specific data pair may be indicated
tp tp min
on the graph.
Figure 2 is an illustrative representation of a typical data set obtained in an S-on-1 laser-induced damage
threshold (LIDT) test. Therefore, the pulse energy scale is given in arbitrary units, and no numbers are given
to indicate the presence of identical data points.
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ISO 21254-2:2011(E)
Key
X number of pulses
Y pulse energy, in millijoules
1 undamaged
2 damaged
Figure 2 — Data points resulting from damage testing
To generate the characteristic damage curve, the algorithm described above is repeated for selected numbers
N of pulses to determine the corresponding energy values Q , Q , and Q . These values are converted into
10 50 90
the units in which the damage threshold is expressed and plotted versus the number of pulses. The numbers
of pulses shall be selected in a way that at least five data points are located in the significant region of the
characteristic damage curve. Log-log coordinates are recommended for this plot to make it possible to carry
out a linear extrapolation of the characteristic damage curve for large numbers of pulses (see Figure 3).
NOTE 2 Log-log coordinates might not be appropriate for an extrapolation of the characteristic damage curve for
extremely large numbers of pulses. In many cases, the characteristic damage curve converges to a finite energy density,
and the shape of this convergence might give information on the laser-induced ageing mechanisms involved (see
Annex E).
4.3.4.3 Extrapolation method
A distribution diagram of damaged and undamaged regions can be generated on the basis of a test with a
reduced number of data points. In the extrapolation method, S-on-1 test procedures are performed covering a
range of numbers of pulses per test site that is appropriate for determining, by extrapolation, the S-on-1
damage threshold for a defined large number of pulses. A slightly modified test procedure (see 4.3.3) is
performed for a selected set of data points. In this method, the number of pulses S is varied during the test
procedure, and it shall be selected such that a significant number of sites are irradiated with the selected
number of pulses S. The irradiation of an individual test site is stopped after the defined number of pulses has
been reached or damage has been detected. The result of this irradiation protocol is a set of data points (Q ,
tp
S, state of damage) represented by the energy of the typical pulse, the selected number of pulses, and the
state of damage, respectively. For specimens which show self-quenching damage mechanisms, the
extrapolation method can also be used in damage-testing facilities without an online damage detection system.
In this case, each site is subjected to the selected number of pulses independently of the state of damage.
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ISO 21254-2:2011(E)
Key
X number of pulses
Y energy density, in joules per square centimetre
1 90 % LIDT
2 50 % LIDT
3 10 % LIDT
NOTE The test conditions were as follows: τ = 130 fs, d = 87 µm, λ = 780 nm, f = 1 kHz, specimen: HR mirror
eff T,eff p
(Ta O /SiO ) for 780 nm.
2 5 2
Figure 3 — Characteristic damage curve
For each data point, the energy value Q is converted into the unit of energy density or power density and
tp
plotted as a graph presenting this value versus the number of pulses. By separating the data points with
respect to the state of damage, the damaged and undamaged regions are indicated by the graph. This
distribution diagram (see Figure 4) makes it possible to give an approximate estimation of the threshold
energy density for large numbers of pulses.
NOTE Compared to the method using the characteristic damage curve, the extrapolation method is based on a
considerably smaller number of S-on-1 test procedures, and it can be performed on one specimen. Although the reliability
of the extrapolation method is limited, it might be sufficient for quality control of a production process already certified by a
complete damage-probability test or as part of the preparation for extended damage testing. The distribution diagram
resulting from the extrapolation method can be interpreted as a rough estimation of the characteristic damage curve (see
Figure 4), and it can also be deduced from the data file of the characteristic damage curve.
A particular data point (Q , S) with no damage can be considered to be an indication that no damage is likely
tp x
to occur for lower pulse numbers S for the energy value Q . As a consequence, symbols indicating no
tp,x
damage can be plotted in the distribution diagram for all other selected values of S which are lower than the
pulse number S . A particular data point (Q , N ) with damage can be considered to be an indication that
x tp min x
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ISO 21254-2:2011(E)
damage is likely to occur for all higher pulse numbers S for the energy value Q . As a consequence, symbols
tp,x
indicating damage can be plotted in the distribution diagram for all other selected values of S which are higher
than the pulse number N . Technical considerations or the statistical damage behaviour of the specimen
min,x
might restrict the lowest number of N which is detectable in a measurement facility. As indicated in Figure 4,
min
a separation line can be drawn to indicate the energy/pulse regime with no damage of the specimen.
Key
X number of pulses
Y energy density, in joules per square centimetre
1 undamaged sites
2 damaged sites
NOTE The test conditions were as follows: τ = 130 fs, d = 87 µm, λ = 780 nm, f = 1 kHz, specimen: HR mirror
eff T,eff p
(TiO /SiO ) for 780 nm.
2 2
Figure 4 — Distribution diagram showing damaged and undamaged regions
5 Accuracy
Prepare the calibration error budget outlined in ISO 21254-1 to determine the overall accuracy of the
measurement facility. Variations in the pulse repetition rate, total energy or beam power, spatial profile and
temporal profile shall be included in the error budget.
6 Test report
6.1 General
For the purpose of documenting and presenting the measurement data, the test report shall include the
information specified in ISO 21254-1:2011, Clause 8, items a) to c), and the results for the type of test which
was performed.
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ISO 21254-2:2011(E)
6.2 1-on-1 test
Information on the test result:
a) a Nomarski micrograph of a typical damaged test site, choosing a pulse energy or beam power in the
damage-probability range between 20 % and 80 %;
b) a graph of the type shown in Figure 1;
c) the result of the test, given as H or E or F ;
th th
th
d) the total number of sites used for the test, N .
ts
It is recommended that a test report containing the test specifications and the test results be written and
supplied to the customer. An example of such a test report is given in Annex B.
6.3 S-on-1 test
Information on the test result:
a) at least one Nomarski micrograph of a typical damaged test site, choosing a pulse energy in the
damage-probability range between 20 % and 80 % for each number of pulses per site;
b) a graph of the kind shown in Figure 3 with data points joined by lines for S-on-1 damage-probability data
or a graph of the kind shown in Figure 4.
In the event of changes in the damage mechanisms with the number of pulses, include a brief statement on
the damage behaviour observed.
If possible, the supplier or the laboratory shall supply to the customer a test report containing the test
specifications and the test results. An example of such a test report is given in Annex D.
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ISO 21254-2:2011(E)
Annex A
(informative)
Example of a measurement procedure (1-on-1 test)
A.1 General
This annex describes an example of a measurement procedure for a 1-on-1 test. The basic structure of the
procedure consists of three steps.
In the first (initialization) step, the fundamental parameters of the test are calculated or defined. The
initialization may also include a binary search routine for an estimation of the actual damage threshold and for
a determination of the energy density intervals for testing. In the initialization procedure, the fundamental test
parameters are specified on the basis of the intended application and information available from former tests
on specimens of similar design and materials.
In the second step, the specimen is interrogated and the data collected.
In the final step, the data collected are analysed and an estimate of the damage threshold and its uncertainty
are calculated.
A.2 Initialization of the measurement procedure
A.2.1 Total number of test sites, N
ts
From the area A of the specimen available for the damage test, the beam diameter d and the separation
opt T,eff
of the test sites in terms of the laser beam diameter d , the total number N of test sites can be determined.
sep ts
If a rectangular array of test sit
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 21254-2
Première édition
2011-07-15
Lasers et équipements associés aux
lasers — Méthodes d'essai du seuil
d'endommagement provoqué par laser —
Partie 2:
Détermination du seuil
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced
damage threshold —
Part 2: Threshold determination
Numéro de référence
ISO 21254-2:2011(F)
©
ISO 2011
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ISO 21254-2:2011(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
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de l'ISO à l'adresse ci-après ou du comité membre de l'ISO dans le pays du demandeur.
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ii © ISO 2011 – Tous droits réservés
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ISO 21254-2:2011(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction.v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Termes et définitions .1
4 Méthodes d'essai.1
4.1 Généralités .1
4.2 Méthode d'essai 1 sur 1 .2
4.3 Méthode d'essai S sur 1.3
5 Exactitude.8
6 Rapport d'essai.9
6.1 Généralités .9
6.2 Essai 1 sur 1.9
6.3 Essai S sur 1 .9
Annexe A (informative) Exemple de mode opératoire de mesure (essai 1 sur 1) .10
Annexe B (informative) Exemple de rapport d'essai d'un essai 1 sur 1.16
Annexe C (informative) Exemple de mode opératoire de mesure (essai S sur 1).21
Annexe D (informative) Exemple de rapport d'essai d'un essai S sur 1 .25
Annexe E (informative) Méthode d'extrapolation pour les essais S sur 1 .31
Annexe F (informative) Conversion des données d'endommagement en densité de défaut .33
Bibliographie.36
© ISO 2011 – Tous droits réservés iii
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ISO 21254-2:2011(F)
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 21254-2 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 21254-2:2011, conjointement à l'ISO 21254-1:2011, 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]
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ISO 21254-2:2011(F)
Introduction
La présente partie de l'ISO 21254 spécifie des méthodes d'essai permettant de déterminer le seuil
d'endommagement provoqué sur des composants optiques, traités et non traités, par un rayonnement laser
simple ou répétitif. Le but recherché est de mettre au point des méthodes permettant d'obtenir des résultats
de mesure cohérents, comparables rapidement et avec exactitude, avec ceux d'autres laboratoires d'essai.
Dans l'essai d'irradiation simple, qui est assimilé à l'expression essai 1 sur 1 dans la présente Norme
internationale, chaque site non exposé de la surface de l'échantillon est soumis à une seule impulsion du
rayonnement laser. Un rayonnement laser répétitif peut détériorer et endommager des composants optiques à
des niveaux d'irradiation inférieurs à ceux mesurés pour des endommagements de simple exposition. En plus
des mécanismes réversibles induits par l'échauffement et la distorsion, des mécanismes d'endommagement
irréversibles dus au vieillissement, aux microdommages et à l'apparition ou au déplacement de défauts sont
observés. La dégradation de la qualité optique dépend des paramètres de fonctionnement du laser et du
système optique dans lequel est installé le composant. L'essai d'irradiations multiples (essai S sur 1) est
fondé sur un protocole qui utilise une série d'impulsions ayant une densité d'énergie constante sur chaque site
d'essai non exposé.
Outre une technique d'évaluation fondée sur la courbe de résistance pour les essais 1 sur 1, la présente
partie de l'ISO 21254 décrit aussi deux méthodes d'évaluation permettant de réduire les données brutes des
essais d'endommagement S sur 1: la méthode de la courbe d'endommagement caractéristique et la méthode
d'extrapolation.
La méthode de la courbe d'endommagement caractéristique est fondée sur un grand nombre de sites
d'essai S sur 1 sur la surface optique de l'échantillon et comprend un jeu de trois graphiques indiquant les
valeurs de densité d'énergie avec des valeurs de probabilité d'endommagement de 10 %, 50 % et 90 % pour
un nombre donné d'impulsions. La courbe d'endommagement caractéristique représente les résultats d'un
essai complet ou étendu d'endommagement provoqué par laser, et elle est recommandée pour les
recherches de base dans des optiques lasers en cours de développement ou critiques. La seconde méthode
technique d'évaluation pour les essais S sur 1, à savoir la méthode d'extrapolation, est conçue pour un
nombre considérablement plus petit de sites d'essai. Cette méthode permet d'obtenir un diagramme de
distribution des zones endommagées et non endommagées pour le comportement du seuil
d'endommagement en fonction du nombre d'impulsions par site. Ce diagramme a une fiabilité limitée et peut
être utilisé pour un contrôle qualité de composants optiques pour laser, qui sont déjà qualifiés par un essai
complet d'endommagement ou pour la préparation d'un essai d'endommagement étendu.
Des essais réalistes d'endommagement provoqué par laser adaptés aux applications industrielles dépendent
9 11
d'un grand nombre d'impulsions (10 à 10 impulsions) et engendrent des coûts expérimentaux
disproportionnés. En conséquence, la présente partie de l'ISO 21254 décrit aussi une méthode permettant
d'extrapoler le seuil S sur 1 à partir de la courbe d'endommagement caractéristique afin d'estimer la durée de
vie réelle d'un composant optique.
NOTE Il convient de prendre conscience que le seuil d'endommagement provoqué par laser d'un composant optique
soumis à un rayonnement répétitif peut être affecté par un ensemble de différents mécanismes de dégradation tels que la
contamination, l'échauffement, l'apparition ou le déplacement de défauts internes et les modifications de structure. Ces
mécanismes sont influencés par les paramètres de fonctionnement du laser, l'environnement et les conditions de montage
du composant soumis à essai. Pour ces raisons, il est nécessaire d'enregistrer tous les paramètres et de prendre
conscience que le comportement d'endommagement peut varier dans les essais réalisés dans des conditions de
fonctionnement différentes.
Les modes opératoires d'essai décrits dans la présente partie de l'ISO 21254 s'appliquent à toutes les
combinaisons de différentes longueurs d'onde et durées d'impulsion de laser. Toutefois, la comparaison des
données de seuil d'endommagement provoqué par laser peut être trompeuse, sauf si les mesurages ont été
effectués à des longueurs d'onde, durées d'impulsion et diamètres de faisceau identiques. Les définitions et le
principe général des mesurages du seuil d'endommagement provoqué par laser sont décrits dans
l'ISO 21254-1.
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NORME INTERNATIONALE ISO 21254-2:2011(F)
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai
du seuil d'endommagement provoqué par laser —
Partie 2:
Détermination du seuil
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'ISO 21254-1:2011, Annexe A, pour des commentaires supplémentaires.
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 21254 définit la détermination du seuil d'endommagement 1 sur 1 et S sur 1
provoqué par un rayonnement laser sur des composants optiques pour laser. Elle s'applique à tous les types
de lasers et de conditions de fonctionnement.
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 11145, Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et symboles
ISO 21254-1:2011, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement
provoqué par laser — Partie 1: Définitions et principes de base
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 11145 et l'ISO 21254-1
s'appliquent.
4 Méthodes d'essai
4.1 Généralités
L'appareillage, le principe général et l'échantillonnage pour les mesurages du seuil d'endommagement
provoqué par laser sont décrits dans l'ISO 21254-1.
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ISO 21254-2:2011(F)
4.2 Méthode d'essai 1 sur 1
4.2.1 Généralités
Lors d'un essai 1 sur 1, chaque site non exposé de la surface de l'échantillon est examiné au moyen d'une
seule impulsion laser ayant des paramètres de faisceau définis. Les données expérimentales permettent de
construire un graphique représentant la probabilité d'endommagement en fonction de la densité d'énergie ou
de la densité de puissance.
4.2.2 Paramètres
L'équipement d'essai doit être caractérisé par les paramètres décrits dans l'ISO 21254-1:2011, 6.2.6.5.
4.2.3 Mode opératoire
Les sites d'essai sont positionnés dans le faisceau et exposés à des irradiations simples d'un rayonnement
laser ayant différentes densités d'énergie ou densités de puissance. Exposer au moins dix sites à une énergie
d'impulsion (ou puissance de faisceau) présélectionnée et enregistrer l'énergie d'impulsion (ou puissance de
faisceau) réelle mesurée par l'unité de diagnostic de faisceau ainsi que l'état d'endommagement après
l'irradiation (présence ou absence de dommage) pour chaque site. Répéter cette séquence pour d'autres
énergies d'impulsion ou puissances de faisceau. La plage des énergies d'impulsion ou puissances de
faisceau employées doit être suffisamment étendue pour inclure de faibles valeurs n'induisant pas
d'endommagement au niveau des sites et des valeurs suffisamment élevées pour induire des dommages sur
chaque site soumis à essai au cours de la séquence d'essai.
4.2.4 Évaluation
Les données de seuil d'endommagement sont obtenues par la méthode de probabilité d'endommagement.
Pour établir une courbe de probabilité d'endommagement en fonction de l'unité correspondante de seuil
d'endommagement provoqué par laser (faisceau laser ou énergie), la probabilité d'endommagement est
déterminée pour chaque incrément de densité d'énergie ou de densité de puissance en calculant le rapport du
nombre de sites endommagés au nombre total de sites soumis à essai. L'extrapolation linéaire des données
de probabilité d'endommagement à une probabilité d'endommagement nul donne la valeur du seuil. Un
exemple est donné à la Figure 1.
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ISO 21254-2:2011(F)
Key
X énergie, en millijoules
Y probabilité d'endommagement
NOTE Les conditions expérimentales utilisées sont les suivantes: d = 1,44 mm, λ = 10,6 µm, τ = 100 ns, queue
86,5 H
de 3,5 µs (TEA CO laser), échantillons: fenêtres en KBr, 50 pièces, ∅ 40 mm.
2
Figure 1 — Graphique de la détermination du seuil d'endommagement
à partir des données expérimentales
Dans le cas d'un système laser présentant une importante variation d'énergie coup par coup, il est permis
d'exposer l'échantillon à des énergies d'impulsion arbitraires et de classer les données en fonction des
intervalles d'énergie appropriés après l'expérimentation.
NOTE 1 Pour une méthode de mesure efficace ayant une exactitude maximale pour un nombre donnée de sites, des
exemples appropriés sont respectivement décrits dans l'Annexe A et dans l'Annexe C pour un essai 1 sur 1 et un essai
S sur 1.
NOTE 2 Le diamètre du faisceau d'essai au niveau de la position de l'échantillon peut avoir une incidence sur le
résultat de mesure. Par conséquent, le diamètre du faisceau doit être maintenu constant pendant tout le mode opératoire
de mesure.
4.3 Méthode d'essai S sur 1
4.3.1 Généralités
Pour déterminer le seuil d'endommagement S sur 1, des extensions de la mise en œuvre et du mode
opératoire d'évaluation pour les mesurages du seuil d'endommagement 1 sur 1 sont nécessaires. Cependant,
une installation de mesure pour les essais S sur 1 peut être appliquée pour les mesurages 1 sur 1 si le
système de détection des dommages en ligne est combiné à un microscope à contraste interférentiel
différentiel du type Nomarski. Il est recommandé que le système de détection des dommages en ligne ait la
possibilité d'interrompre les impulsions suivantes et de stopper le compteur d'impulsions.
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ISO 21254-2:2011(F)
4.3.2 Paramètres de l'essai
L'équipement d'essai doit être caractérisé par les paramètres décrits dans l'ISO 21254-1:2011, 6.2.6.5, et les
paramètres suivants:
a) nombre d'impulsions par site, S;
b) nombre total de sites par essai, N .
ts
NOTE Pour l'essai S sur 1, les paramètres donnés dans l'ISO 21254-1:2011, 6.2.6.5 d) à g), se rapportent aux
propriétés de l'impulsion typique définie dans l'ISO 21254-1:2011, 6.2.6.4.
4.3.3 Mode opératoire
Un site d'essai non exposé est positionné dans le faisceau et irradié par une série de S impulsions, l'impulsion
typique de la série ayant une énergie Q . Si un endommagement est observé par le système de détection
tp
des dommages en ligne avant que la série de S impulsions ne soit achevée, l'irradiation du site doit être
arrêtée et le nombre minimal d'impulsions, N , doit être enregistré. Ce mode opératoire est répété pour
min
différentes densités d'énergie de l'impulsion typique. Le nombre d'impulsions, S, doit être constant pendant
tout le mode opératoire d'essai et il doit être choisi de façon que le comportement spécifique de l'échantillon à
l'endommagement provoqué par laser soit enregistré par l'essai S sur 1.
4.3.4 Évaluation des mesurages
4.3.4.1 Généralités
Après la vérification, le résultat du programme d'essai S sur 1 décrit est un fichier de points mesurés du type
(Q , N ), où N u S en cas d'endommagement,
tp min min
(Q , S) lorsqu'aucun endommagement n'est détectable.
tp
L'évaluation des données obtenues (voir Figure 2) peut être effectuée en utilisant la méthode de la courbe
d'endommagement caractéristique (voir 4.3.4.2) ou la méthode d'extrapolation (voir 4.3.4.3). La méthode de la
courbe d'endommagement caractéristique permet une détermination exacte du seuil d'endommagement
provoqué par laser à impulsions. Outre cette technique précise qu'il convient d'utiliser pour des investigations
fondamentales et pour tester des composants prototypes, la méthode d'extrapolation est une technique
pratique pour estimer le seuil S sur 1 pour un grand nombre d'impulsions.
4.3.4.2 Courbe d'endommagement caractéristique
Le mode opératoire relatif au seuil d'endommagement S sur 1 (voir 4.3.3) est appliqué et le fichier de points
mesurés obtenu est enregistré. Pour une évaluation ayant une signification suffisante, un nombre minimal de
sites, N , doit être soumis à essai pour chaque valeur d'énergie, Q , de l'impulsion typique. Ce nombre
ms tp
minimal de sites, N , peut être estimé par la relation donnée par l'Équation (1):
ms
N = 5 × valeur de l'intégrale de (1 + log S) (1)
ms 10
La plage d'énergies d'impulsion typiques, Q , utilisée doit être suffisamment étendue pour inclure aussi bien
tp
les points de probabilité d'endommagement nulle que ceux de probabilité de 100 %.
Les valeurs de probabilité d'endommagement pour un nombre défini N d'impulsions et une valeur d'énergie
spécifiée, Q, sont calculées sur la base de la technique de réduction des données suivante.
L'échelle d'énergie est divisée en une série d'intervalles [Q − ∆Q, Q + ∆Q) couvrant la plage d'énergie
accessible par le montage expérimental. Pour le calcul de la probabilité d'endommagement pour une certaine
valeur d'énergie, Q, et pour un nombre choisi d'impulsions, N, les points mesurés avec Q = [Q − ∆Q, Q + ∆Q)
tp
sont choisis dans le fichier des points mesurés. Les points mesurés avec N u N correspondent aux sites
min
endommagés, alors que les points mesurés avec N > N ou S W N correspondent aux sites non
min
endommagés dans l'intervalle d'énergie considéré. La probabilité d'endommagement pour l'énergie Q est
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ISO 21254-2:2011(F)
calculée par le rapport entre le nombre de points mesurés correspondant aux sites endommagés et le nombre
total de points mesurés considérés pour l'évaluation.
NOTE 1 La valeur de ∆Q est choisie de telle sorte qu'une fraction significative des points mesurés est disponible pour
un intervalle distinct [Q − ∆Q, Q + ∆Q). La valeur ∆Q est maintenue constante pendant le mode opératoire d'évaluation, et
elle détermine l'erreur statistique des valeurs de seuil. Un exemple de mode opératoire de mesure efficace et de choix de
paramètres adaptés est donné dans l'Annexe C.
Ce mode opératoire est répété pour d'autres valeurs d'énergie, Q, afin de générer un ensemble de valeurs de
probabilité d'endommagement pour le nombre choisi d'impulsions, N. L'ensemble de données obtenu
représente des points discrets de la courbe de probabilité d'endommagement qui est tracée en fonction de
l'énergie de l'impulsion typique. À partir de cette courbe, les valeurs d'énergie Q , Q et Q sont déduites
10 50 90
par extrapolation pour les valeurs de probabilité d'endommagement correspondantes de 10 %, 50 % et 90 %.
Une extrapolation linéaire de la courbe de probabilité d'endommagement à une probabilité d'endommagement
nul donne l'énergie de seuil (voir 4.2.4) qui doit être convertie en unités de densité d'énergie de seuil, H , ou
th
de densité de puissance de seuil, E .
th
Une extrapolation linéaire appliquée aux deux points mesurés proches de la probabilité d'endommagement
ciblée est suffisante. Si une base expérimentale avec un grand nombre de points mesurés est disponible, des
méthodes d'extrapolation plus sophistiquées sont autorisées. Le mode opératoire d'extrapolation doit être
décrit dans le rapport d'essai.
À la Figure 2, les points mesurés correspondant aux sites endommagés sont représentés par une croix et
les sites non endommagés sont représentés par un rond (o). Le mode opératoire d'évaluation pour la
méthode de probabilité d'endommagement est illustré par l'intervalle [Q − ∆Q, Q + ∆Q) indiqué sur le
graphique. Plus d'un point peut être retenu pour une paire de données spécifiques (Q , S) ou (Q , N )
tp tp min
pendant l'expérimentation. Le nombre de points pour une paire de données spécifiques peut être indiqué sur
le graphique.
La Figure 2 montre une illustration pour un ensemble de données typique d'un essai S sur 1. En conséquence,
l'échelle d'énergie d'impulsion est donnée dans des quantités arbitraires et aucun nombre n'est fourni sur
l'apparition de points de données identiques.
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ISO 21254-2:2011(F)
Légende
X nombre d'impulsions
Y énergie d'impulsion, en millijoules
1 non endommagé
2 endommagé
Figure 2 — Description des données résultant de l'évaluation des essais d'endommagement
Pour l'établissement de la courbe d'endommagement caractéristique, l'algorithme décrit ci-dessus est répété
pour les nombres choisis d'impulsions, N, afin de déterminer les valeurs d'énergie correspondantes Q , Q
10 50
et Q . Ces valeurs sont converties en unités de seuil d'endommagement et tracées en fonction du nombre
90
d'impulsions. Les nombres d'impulsions doivent être choisis de façon qu'au moins cinq points mesurés soient
situés dans la zone significative de la courbe d'endommagement caractéristique. Des coordonnées log-log
sont recommandées pour la représentation afin de permettre une extrapolation linéaire de la courbe
d'endommagement caractéristique pour les grands nombres d'impulsions (voir Figure 3).
NOTE 2 Les coordonnées log-log peuvent ne pas être appropriées pour une extrapolation de la courbe
d'endommagement caractéristique pour des nombres d'impulsions extrêmement élevés. Dans de nombreux cas, la
courbe d'endommagement caractéristique converge vers une densité d'énergie finie et la forme de cette convergence
peut contenir des informations sur les mécanismes de vieillissement provoqués par laser (voir Annexe E).
4.3.4.3 Méthode d'extrapolation
Un diagramme de distribution des zones endommagées et non endommagées peut être réalisé sur la base
d'un essai avec un nombre réduit de points mesurés. Pour cette méthode, les modes opératoires d'essai S
sur 1 sont appliqués, en couvrant une plage de nombres d'impulsions par site d'essai adaptée à une
extrapolation du seuil d'endommagement S sur 1 pour un grand nombre défini d'impulsions. Un mode
opératoire d'essai légèrement modifié (voir 4.3.3) est appliqué pour un ensemble choisi de points mesurés.
Pour la méthode d'extrapolation, le nombre d'impulsions, S, varie au cours de l'essai et il doit être choisi de
telle sorte qu'un nombre significatif de sites soient irradiés par un nombre choisi d'impulsions, S. L'irradiation
d'un site d'essai individuel est arrêtée lorsque le nombre d'impulsions défini a été atteint ou qu'un
endommagement a été détecté. Le résultat de ce protocole d'irradiation est un ensemble de points mesurés
(Q , S, état d'endommagement) représenté respectivement par l'énergie de l'impulsion typique, le nombre
tp
d'impulsions choisi et l'état d'endommagement. Pour les échantillons qui montrent des mécanismes
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d'endommagement par auto-extinction, la méthode d'extrapolation peut aussi être appliquée pour les
équipements d'essai d'endommagement sans système de détection d'endommagement en ligne. Dans ce cas,
chaque site est soumis au nombre d'impulsions choisi, indépendamment de l'état d'endommagement.
Légende
X nombre d'impulsions
Y densité d'énergie, en joules par centimètre carré
1 seuil d'endommagement provoqué par laser de 90 %
2 seuil d'endommagement provoqué par laser de 50 %
3 seuil d'endommagement provoqué par laser de 10 %
NOTE Les données expérimentales utilisées sont les suivantes: τ = 130 fs, d = 87 µm, λ = 780 nm, f = 1 kHz,
eff T,eff p
échantillon: miroir HR (Ta O /SiO ) pour 780 nm.
2 5 2
Figure 3 — Courbe d'endommagement caractéristique
Pour chaque point mesuré, la valeur de l'énergie, Q , est convertie en unités de densité d'énergie ou de
tp
densité de puissance et tracée sur un graphique représentant cette valeur en fonction du nombre d'impulsions.
En séparant les points mesurés suivant l'état d'endommagement, des zones d'endommagement et de non-
endommagement sont marquées sur le graphique. Le graphique de distribution obtenu (voir Figure 4) permet
une estimation approximative du seuil de densité d'énergie pour un grand nombre d'impulsions.
NOTE Comparée à la méthode de la courbe d'endommagement caractéristique, la méthode d'extrapolation est
fondée sur un nombre considérablement plus petit de modes opératoires d'essai S sur 1, et elle peut être appliquée sur un
seul échantillon. La fiabilité limitée de la méthode d'extrapolation peut être suffisante pour le contrôle qualité d'un procédé
de fabrication déjà certifié par un essai complet de probabilité d'endommagement, ou pour la préparation d'essais
d'endommagement étendus. Le graphique de distribution obtenu par la méthode d'extrapolation peut être interprété
comme une estimation grossière de la courbe d'endommagement caractéristique (voir Figure 4), et il peut aussi être
déduit du fichier de données de la courbe d'endommagement caractéristique.
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ISO 21254-2:2011(F)
Un point mesuré donné (Q ,S) associé à un non-endommagement peut être considéré comme une indication
tp x
qu'aucun endommagement ne peut se produire pour des nombres d'impulsions, S, plus faibles pour la valeur
d'énergie donnée, Q . En conséquence, les symboles indiquant l'absence d'endommagement peuvent être
tp,x
tracés dans le graphique de distribution pour toutes les autres valeurs choisies de S qui sont inférieures au
nombre d'impulsions donné, S . Un point mesuré donné (Q , N ) associé à un endommagement peut être
x tp min x
considéré comme une indication qu'un endommagement peut se produire pour tous les nombres d'impulsions,
S, plus élevés pour la valeur d'énergie donnée, Q . En conséquence, les symboles indiquant un
tp,x
endommagement peuvent être tracés sur le graphique de distribution pour toutes les autres valeurs choisies
de S qui sont supérieures au nombre d'impulsions donné, N . Les considérations techniques ou le
min,x
comportement d'endommagement statistique de l'échantillon peuvent limiter le nombre le plus bas de N
min
pouvant être détectés dans un équipement de mesure. Comme indiqué à la Figure 4, une frontière peut être
tracée pour illustrer le régime d'énergie/impulsion sans dégâts de l'échantillon.
Légende
X nombre d'impulsions
Y densité d'énergie, en joules par centimètre carré
1 sites non endommagés
...
Questions, Comments and Discussion
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