ISO 11254-1:2000
(Main)Lasers and laser-related equipment — Determination of laser-induced damage threshold of optical surfaces — Part 1: 1-on-1 test
Lasers and laser-related equipment — Determination of laser-induced damage threshold of optical surfaces — Part 1: 1-on-1 test
Lasers et équipements associés aux lasers — Détermination du seuil d'endommagement provoqué par laser sur les surfaces optiques — Partie 1: Essai 1 sur 1
La présente partie de l'ISO 11254 spécifie une méthode d'essai de détermination du seuil d'endommagement causé sur les surfaces optiques par un rayonnement laser simple. Cette procédure d'essai s'applique à toutes les différentes combinaisons de longueur d'onde et de durée d'impulsion de laser. Toutefois, la comparaison des données du seuil d'endommagement peut être erronée, à moins que les mesures aient été effectuées avec une même longueur d'onde, une même durée d'impulsion et un même diamètre de faisceau. La présente partie de l'ISO 11254 est provisoirement limitée aux dommages irréversibles des surfaces optiques. NOTE : Des exemples pour les unités et échelles de seuil d'endommagement causé par laser sont donnés en annexe C. AVERTISSEMNT - 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 des matériaux toxiques (par exemple: ZnSe, GaAs, CdTe, ThF4, chalcogénides, Be, Cr, Ni), cela peut conduire à de sérieux risques pour la santé. Voir en annexe C pour des commentaires supplémentaires.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 11254-1
First edition
2000-06-01
Laser and laser-related equipment —
Determination of laser-induced damage
threshold of optical surfaces —
Part 1:
1-on-1 test
Lasers et équipements associés aux lasers — Détermination du seuil
d’endommagement provoqué par laser sur les surfaces optiques —
Partie 1: Essai 1 sur 1
Reference number
ISO 11254-1:2000(E)
©
ISO 2000
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ISO 11254-1:2000(E)
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ISO 11254-1:2000(E)
Contents
Foreword.iv
Introduction.v
1 Scope .1
2 Normative references .1
3 Terms and definitions .1
4 Symbols and units.3
5 Sampling.4
6 Test method.4
6.1 Principle.4
6.2 Apparatus .5
6.3 Preparation of test specimens .8
6.4 Procedure .9
7 Evaluation.9
8 Accuracy.10
9 Test report .10
Annex A (informative) Test report example.12
Annex B (informative) Example of a measurement procedure.15
Annex C (informative) Units and scaling of laser-induced damage thresholds .21
Bibliography.22
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ISO 11254-1:2000(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 3.
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 part of ISO 11254 may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
International Standard ISO 11254-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and optical
instruments, Subcommittee SC 9, Electro-optical systems.
ISO 11254 consists of the following parts, under the general title Laser and laser-related equipment —
Determination of laser-induced damage threshold of optical surfaces:
� Part 1: 1-on-1 test
� Part 2: S-on-1 test
Annexes A, B and C of this part of ISO 11254 are for information only.
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ISO 11254-1:2000(E)
Introduction
Optical components can be damaged by laser irradiation of sufficiently high energy or power. At any specified laser
irradiation level, 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 usually given by the damage threshold of its surface.
This part of ISO 11254 describes a standard procedure for determining the laser-induced damage threshold (LIDT)
of optical surfaces, both coated and uncoated. The procedure has been promulgated in order to provide a method
for obtaining consistent measurement results, which may be rapidly and accurately compared among different
testing laboratories. In order to simplify the comparison of laser-damage measurement facilities, laser groups are
defined in this part of ISO 11254.
This part of ISO 11254 is applicable to single-shot testing only (1-on-1 tests). For multi-shot testing (S-on-1) refer to
ISO 11254-2.
© ISO 2000 – All rights reserved v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 11254-1:2000(E)
Laser and laser-related equipment — Determination
of laser-induced damage threshold of optical surfaces —
Part 1:
1-on-1 test
1 Scope
This part of ISO 11254 specifies a test method for determining the single-shot laser radiation-induced damage
threshold (LIDT) of optical surfaces.
This test procedure is applicable to all combinations of different laser wavelengths and pulse lengths. However
comparison of laser damage threshold data may be misleading unless the measurements have been carried out at
identical wavelengths, pulse lengths and beam diameters.
Application of this part of ISO 11254 is provisionally restricted to irreversible damage of optical surfaces.
NOTE Examples of units and scaling of laser-induced damage thresholds are given in annex C.
WARNING — The extrapolation of damage data can lead to inaccurate or wrong calculated results and to
an overestimation of the LIDT. In the case of toxic materials (e.g. ZnSe, GaAs, CdTe, ThF , chalcogenides,
4
Be, Cr, Ni) this could lead to severe health hazards.
2 Normative references
The following normative documents contain provisions which, through reference in this text, constitute provisions of
this part of ISO 11254. For dated references, subsequent amendments to, or revisions of, any of these publications
do not apply. However, parties to agreements based on this part of ISO 11254 are encouraged to investigate the
possibility of applying the most recent editions of the normative documents indicated below. For undated
references, the latest edition of the normative document referred to applies. Members of ISO and IEC maintain
registers of currently valid International Standards.
ISO 10110-7:1996, Optics and optical instruments — Preparation of drawings for optical elements and systems —
Part 7: Surface imperfection tolerances.
ISO 11145:1994, Optics and optical instruments — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and
symbols.
3 Terms and definitions
For the purposes of this part of ISO 11254, the terms and definitions given in ISO 11145 and the following apply.
3.1
surface damage
any permanent laser radiation-induced change of the surface characteristics of the specimen which can be
observed by an inspection technique described within this part of ISO 11254
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ISO 11254-1:2000(E)
3.2
1-on-1 test
test programme that uses one shot of laser radiation on each unexposed site on the specimen surface
3.3
threshold
highest quantity of laser radiation incident upon the optical surface for which the extrapolated probability of damage
is zero
NOTE The quantity of laser radiation may be expressed as energy density H or power density E (see annex C).
max max
3.4
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
3.5
effective area
A
T,eff
ratio of power [pulse energy] to maximum power [energy] density
NOTE 1 For spatial beam profiling perpendicular to the direction of beam propagation and angles of incidence differing from
0 rad, the cosine of the angle of incidence is included in the calculation of the effective area. In this case, the effective area may
be approximated by the following formulae:
Q
A � (1)
T,eff
H cos(� )
max
P
A � (2)
T,eff
E cos()�
max
NOTE 2 For the special case of a circular flat-top beam profile with diameter d , the effective area is given by:
100
2
Q Hd� 1
max 100 2
A �� � �d (3)
T,eff 100
H 4H 4
max max
For a focused Gaussian beam (circular beam) with a beam diameter d86,5, the effectiveareaisgiven by:
22
xy�
� 8
��
2
d
2
86,5
8r
Hxeddy
max �
�� �
2
d
Q 1
���� 86,5 2
Ae�� �2d�rr��d (4)
T,eff 86,5
�
HH 8
max max
0
With the definition of the second moment of the energy density distribution function H(x,y,z) at the location z,
� 2�
2
rH(,r��)r ddr
z z
2 0 0
� ()z � (5)
� 2�
Hr(,��)rddr
z z
0 0
and the definition of the beam diameter d as a function of the second moment
�
dz()�22�()z (6)
�
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ISO 11254-1:2000(E)
theeffective area canbeexpressedinthefollowingforms:
1 1
22 2
a) flat-top beam: Ad����d� 2��;(d�d 7)
T,eff 100��100
4 4
1 1
22 2
b) Gaussian beam: Ad����d��� ;d�d (8)
T,eff 86,5��
86,5
8 8
3.6
effective beam diameter
d
T,eff
double the square root of the effective area divided by the factor pi
A
T,eff
d � 2 (9)
T,eff
�
3.7
effective pulse duration
ratio of total pulse energy to maximum pulse power
4 Symbols and units
Table 1 — Symbols and units of measurement
Symbol Unit Term
nm wavelength
�
� rad angle of incidence
p
degree of polarization
d mm beam diameter in the target plane
T
d mm effective beam diameter in target plane
T,eff
2
A cm effective area in the target plane
T,eff
t
ns, μs, s pulse duration
H
t
ns, μs, s effective pulse duration (see 6.2.6.2)
eff
Q
J pulse energy
P
W peak pulse power
pk
P
W power
2
H J/cm maximum energy density
max
2
E
W/cm maximum power density
max
2
H
J/cm threshold energy density
th
2
E W/cm threshold power density
th
F W/cm threshold linear power density
th
N total number of sites for the test
TS
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ISO 11254-1:2000(E)
5 Sampling
Either a functional component or a witness specimen shall be tested. If a witness specimen is tested, the substrate
material and surface finish shall be the same as for the component, and the witness specimen shall be coated in
the same coating run as the component. The coating run number and date shall be identified for the test
component.
6 Test method
6.1 Principle
The basic approach to laser damage testing is shown in Figure 1. The output of a well-characterized stable laser is
set to the desired energy or power with a variable attenuator, and delivered to the specimen located at or near the
focus of a focussing system. The use of a focussing system permits the generation of destructive energy densities
or power densities at the test specimen.
Key
1 Sample compartment 5 Waveplate
2 On-line damage detector 6 Variable attenuator
3 Beam diagnostic 7 Laser system
4 Focussing system
Figure 1 — Basic approach to 1-on-1 laser damage testing
The specimen is mounted in a manipulator which is used to position different test sites in the beam and set the
angle of incidence. The polarization state is set with an appropriate waveplate. The incident laser beam is sampled
with a beamsplitter which directs a portion of the beam to a diagnostic unit. The beam diagnostic unit permits
simultaneous determination of the total pulse energy and the spatial and temporal profiles.
Microscopic examination of the testing site before and after irradiation is used to detect damage.
The specimen is positioned at different non-overlapping test sites in reference to the beam, and irradiated at
different energy densities or power densities. From these data the damage threshold can be determined.
This procedure is applicable to testing with all laser systems, irrespective of pulse length and wavelength. Pulse
durations widely used in industrial and scientific applications are summarized and grouped in Table 2.
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ISO 11254-1:2000(E)
Table 2 — Laser groups
Group Description Pulse duration
1 very short pulse 1 ns to 3 ns
2 short pulse 10 ns to 30 ns
3 medium pulse 1 �sto3 �s
4 long pulse 200 �sto1000 �s
5 pulse length to be specified
6cw 1s
NOTE Damage thresholds of pulsed lasers (Groups 1 to 4) are usually expressed in units of energy density
2
(J/cm ). The pulse duration of the test laser shall be documented in the test report. Group 6: Damage thresholds of
continuous-wave (cw) lasers are usually expressed in units of linear power density (W/cm). Power density refers to
the average power during the irradiation time. Examples for units of laser-induced damage thresholds are described
in annex C.
6.2 Apparatus
6.2.1 Laser, delivering pulses with a reproducible near-Gaussian or near-flat-top spatial profile.
The temporal profile of the pulses is monitored during the measurement. For the different laser groups, the
maximum allowable variations of the pulse parameters are compiled in Table 3. As a minimum specification of a
laser system of Group 5, the pulse-to-pulse variation of the maximum power density shall be less than � 20 %.
Stability criteria for the beam parameters shall be determined and documented in an error budget.
Table 3 — Maximum percentage variation of laser parameters and corresponding percentage variation
of maximum pulse power density E
max
Laser
Pulse energy Average power Pulse duration Effective area Power density
group
QP � A E
av eff T,eff max
1 �5— � 10 � 10 � 15
2 �5— � 5 � 6 � 10
3 �5— � 5 � 6 � 10
4 �5— � 5 � 6 � 10
6— �5— � 6 � 20
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6.2.2 Variable attenuator and beam delivery system
The laser output shall be attenuated to the required level with an external variable attenuator that is free of drifts in
transmissivity and imaging properties.
The beam delivery system and the attenuator shall not affect the properties of the laser beam in a manner
inconsistent with the tolerances given in 6.2.1. In particular, the polarization state of the laser beam shall not be
altered by the beam delivery system.
6.2.3 Focussing system
The arrangement of the focussing system should be adapted to the special requirements of the laser system and to
the intended beam profile in the target plane. The specific arrangement and the parameters of the focussing
system shall be documented in the test report. The specifications of the active area and the energy density shall be
referred to the location of the test surface.
For Gaussian beams, it is advisable to select an aperture of the focussing system which amounts to not less than
three times the beam diameter at the entrance of the focussing system. A minimum effective f-number of 50 and a
beam diameter in the target plane of not less than 0,8 mm are recommended. The target plane should be located
at or near the focal waist formed by the focussing system. For Groups 3 to 6, the beam diameter may be reduced
depending on the power density necessary, but should not be smaller than 0,2 mm. In such cases the effective
f-number may be reduced below a value of 50.
For near-flat-top laser beams, it is advisable to position the test surface in the image plane of the focussing system
with a focal length > 0,2 m that forms an image of a suitable aperture in the optical path.
Coherence effects in specimens with parallel surfaces can occur and affect the measurement. These effects shall
be eliminated by appropriate techniques, such as wedging or tilting of the specimen. The application of a highly
converging beam is also a practical method for removing coherence effects in the specimen.
6.2.4 Specimen holder
The test station shall be equipped with a manipulator which allows for a precise placement of the test sites on the
specimen with an accuracy sufficient for the specimen size.
6.2.5 Damage-detection microscope, to inspect the surface before and after the test.
The investigations shall be made with an incident light microscope having Nomarski-type differential interference
contrast. A magnification in the range from 100� to 150� shall be used.
NOTE 1 For routine inspection and objective measurement of laser damage, an image analyser may be attached to the
microscope.
NOTE 2 An appropriate on-line damage detection system may be installed for evaluating the state of the surface under test or
for switching off the laser in long-pulse and cw damage-measurement facilities to avoid catastrophic damage of the specimen.
For on-line detection, any appropriate technique may be used. Techniques suited to this purpose are for instance on-line
microscopic techniques in conjunction with image analysers, photoacoustic and photothermal detection, as well as scatter
measurements using a separate laser or radiation from the damaging laser. A typical set-up for an on-line scatter measurement
system is described in ISO 11254-2.
6.2.6 Beam diagnostics
6.2.6.1 Measurement of total pulse energy and power
The diagnostic package shall be equipped with a calibrated detector to measure the pulse energy or beam power
delivered to the target plane. This instrument shall be traceable to a national standard with an absolute uncertainty
of � 5 % or better.
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6.2.6.2 Temporal profile analysis
The diagnostic package shall include suitable instrumentation for analysing the temporal profile of the laser to
determine the pulse duration. The temporal profile shall be integrated to determine the ratio of total pulse energy Q
to maximum pulse power P . This ratio is called the effective pulse duration t :
pk eff
�
Pt() dt
z
Q
0
t�� (10)
eff
P P
pk pk
For pulsed lasers (Groups 1 to 4), upper limits for the temporal resolution of the pulse duration measurement are
defined in Table 4. For Group 6 lasers, the temporal stability of the output shall be determined with a resolution of
less than 10 ms. For lasers not included in Table 4, the upper limit of the temporal resolution shall not exceed 10 %
of the effective pulse duration.
Table 4 — Upper limits for the temporal resolution of the pulse duration measurement
Group Temporal resolution
1 100 ps
21ns
3 100 ns
410μs
6.2.6.3 Spatial profile
In all cases, the spatial profile shall be analysed in the target plane or an equivalent plane. The diagnostic package
shall be equipped with instrumentation to measure the two-dimensional spatial profile with a spatial resolution of
1,5 % of the beam diameter or better.
The maximum energy density or power density of the beam shall be determined as follows:
The two-dimensional profile shall be integrated to determine the ratio of total pulse energy Q to maximum energy
density H or the ratio of power P to maximum power density E , respectively. The effective area A is
max max T,eff
deduced from the formulae:
� �
Hx(,y)ddx y
z z
Q
����
A �� (11)
T,eff
H H
max max
� �
Exy(, )ddx y
z z
P
����
A �� (12)
T,eff
E E
max max
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ISO 11254-1:2000(E)
The maximum energy density H is given by
max
Q
H � (13)
max
A
T,eff
The maximum power density E is given by
max
H
max
E � (14)
max
t
eff
The maximum power density E is given by
max
P
E � (15)
max
A
T,eff
The testing equipment shall be characterized by the following parameters:
a) wavelength,�;
b) angle of incidence,�;
c) degree of polarization, p;
d) beam diameter in the target plane, d ;
T
e) effective beam diameter in the target plane, d ;
T,eff
f) pulse duration, t ;
H
g) effective pulse duration, t ;
eff
h) (minimum) number of sites tested at each energy density value;
i) total number of sites per test, N .
TS
6.3 Preparation of test specimens
Wavelength, angle of incidence and polarization of the laser radiation as used in the test shall be in accordance
with the specifications by the manufacturer for normal use. If ranges are given for the values of these parameters,
an arbitrary combination of wavelength, angle of incidence and polarization within these ranges may be used.
Carry out storage, cleaning and preparation of the specimens in accordance with the specimen specifications
provided by the manufacturer for normal use.
In the absence of manufacturer-specified instructions, use the following procedure.
a) Store the specimen at less than 50 % relative humidity for 24 h prior to testing. Handle the specimen by the
non-optical surfaces only.
b) Before testing, carry out a microscopic evaluation of surface quality and cleanliness in accordance with
ISO 10110-7 using a Nomarski/darkfield microscope at 150� magnification or higher.
c) If contaminants are seen on the specimen, the surface shall be cleaned. The cleaning procedure shall be
documented. If the contaminants are not removable, document them by photographic and/or electronic means
before testing.
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d) Inspect the test site for dust particles during irradiation. The test environment shall be clean, filtered air of less
than 50 % relative humidity and shall be documented.
e) The test sites shall be in a defined and reproducible arrangement. Refer the test grid to fixed reference points
on the specimen. It is acceptable to make marks at known locations on the specimen as reference points only
after testing is completed and before the specimen is removed from the specimen positioner.
NOTE It is usually possible to use one or more large damage spots as reference points, rather than potentially
contaminating the surface of the specimen. This is preferable if there is any likelihood of having to make further tests on the
specimen.
6.4 Procedure
A number of test sites are positioned into the beam and irradiated at different energy densities or power densities.
From this data, the damage threshold can be determined. Test a minimum of 10 sites for each energy-density or
power-density increment. The range of pulse energies or beam powers employed shall be sufficiently broad to
include points of zero damage frequency, as well as points of 100 % damage probability.
7 Evaluation
Damage threshold data are obtained by the damage-probability method. Expose a minimum of ten sites to one
pulse energy (or beam power) and record the fraction of sites which are damaged. Repeat this procedure for other
pulse energies or beam powers to develop a plot of damage probability versus energy or power. An example is
shown in Figure 2. Linear extrapolation of the damage probability data to zero damage probability yields the
threshold energy. Convert the threshold value to the appropriate threshold energy density H or threshold power
th
density E as described in 6.2.6.3.
th
Figure 2 — Diagram for the determination of the damage threshold from experimental data
(damage to KBr windows, 50 pieces,� 40 mm, BMFT 315-5691 ATT 2249 A/8)
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ISO 11254-1:2000(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 experiment. A
minimum of ten sites shall be tested within one energy interval.
NOTE For an efficient measurement procedure with maximum accuracy for a given number of sites, an appropriate
example is described in annex B.
8 Accuracy
Prepare a calibration error budget to determine the overall measurement accuracy. Variations in the total energy or
beam power, spatial profile, and temporal profile shall be included in the error budget.
An example for Group 3 lasers is given in Table 5. Similar formats are appropriate for other laser groups.
Table 5 — Error budget for a Group 3 laser-damage testing facility
Random variations:
Pulse-to-pulse energy stability � 3%
Pulse-to-pulse spatial profile stability � 5%
Pulse-to-pulse temporal profile stability � 5%
Systematic variations:
Calorimeter calibration � 3%
Calorimeter-energy monitor correlation � 2%
Overall energy density measurement reproducibility � 5,8 %
Overall energy density measurement uncertainty � 6,8 %
Overall power density measurement reproducibility � 7,7 %
Overall power density measurement uncertainty � 8,5 %
9 Test report
To guarantee a reliable in-process documentation, each specimen tested is assigned a unique run number, which
accompanies it through the test process from initial receipt to submission of the final report. All pertinent information
pertaining to test station configurations, source calibration, cleaning, microscopic inspections, exposure
parameters, raw data and reduced test results shall be traceable to this run number. This data shall be retained by
the test laboratory as a primary permanent reference.
For the purpose of documentation and presentation of measured data, the test report shall include the following
information.
a) Information on the testing institute
1) name and address of the testing institute;
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ISO 11254-1:2000(E)
2) date of testing;
3) name of the operator.
b) Information on the specimen
1) type of the specimen (part or witness);
2) manufacturer of the specimen;
3) specifications of the manufacturer for storage, cleaning, and preconditioning;
4) specifications of the manufacturer for normal use (wavelength, pulse duration, polarization, angle of
incidence, purpose);
5) part identification number, date of production.
c) Information on the test (test specifications)
1) test equipment used including focussing system and beam f-number;
2) laser parameters according to 6.2.6.3 a) to h);
3) diagrams of the spatial and temporal profile of the laser beam;
4) error budget (see Table 5);
5) arrangement of the testing sites on the specimen;
6) damage detection method;
7) methods for storage, cleaning and preconditioning;
8) test environment.
d) Information on the result
1) Nomarski micrograph of a typical damaged testing site; a pulse energy or beam power in the range
between 20 % and 80 % damage probability shall be chosen;
2) diagram according to clause 7;
3) result of the test, given as H or E or F ;
th th th
4) total number of sites 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 is given in annex A.
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ISO 112
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 11254-1
Première édition
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Lasers et équipements associés
aux lasers — Détermination du seuil
d'endommagement provoqué par laser
sur les surfaces optiques —
Partie 1:
Essai 1 sur 1
Lasers and laser-related equipment — Determination of laser-induced
damage threshold of optical surfaces —
Part 1: 1-on-1 test
Numéro de référence
ISO 11254-1:2000(F)
©
ISO 2000
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ISO 11254-1:2000(F)
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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 .4
5 Échantillonnage .4
6 Méthode d'essai .4
6.1 Principe.4
6.2 Appareillage .5
6.3 Préparation des échantilllons pour essai .9
6.4 Mode opératoire.9
7 Évaluation.9
8 Exactitude.10
9 Rapport d'essai .11
Annexe A (informative) Modèle de rapport d'essai.13
Annexe B (informative) Exemple de procédure de mesure .16
Annexe C (informative) Unités et échelles de seuil d'endommagement causé par laser.22
Bibliographie .23
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ISO 11254-1:2000(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 3.
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 de la présente partie de l’ISO 11254 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.
La Norme internationale ISO 11254-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 172, Optique et instruments
d'optique, sous-comité SC 9, Systèmes électro-optiques.
L'ISO 11254 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Lasers et équipements associés aux
lasers — Détermination du seuil d'endommagement provoqué par laser sur les surfaces optiques:
� Partie 1: Essai 1 sur 1
� Partie 2: Essai S sur 1
Les annexes A, B et C de la présente partie de l’ISO 11254 sont données uniquement à titre d’information.
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ISO 11254-1:2000(F)
Introduction
Les rayonnements laser d'énergie ou de puissance relativement élevée peuvent endommager les composants
optiques. A un certain niveau d'exposition au rayonnement laser, la probabilité d'endommagement est habituelle-
ment plus élevée pour la surface que pour la masse des pièces. Le seuil d'endommagement d'une pièce d'optique
est donc habituellement assimilé à celui de sa surface.
La présente partie de l'ISO 11254 décrit un mode opératoire normalisé de détermination du seuil d'endommage-
ment causé par un laser sur des surfaces optiques traitées ou non traitées. Le but recherché est de mettre au point
une méthode permettant d'obtenir des résultats cohérents comparables rapidement et avec précision, avec ceux
d'autres laboratoires d'essai. Pour faciliter la comparaison des seuils d'endommagement, des groupes de lasers
sont définis dans cette partie de l'ISO 11254.
La présente partie de l'ISO 11254 s'applique uniquement aux essais d'irradiation simple (essais 1 sur 1). Pour les
essais d'irradiations multiples (essais S sur 1), se référer à l'ISO 11254-2.
© ISO 2000 – Tous droits réservés v
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NORME INTERNATIONALE ISO 11254-1:2000(F)
Lasers et équipements associés aux lasers — Détermination
du seuil d'endommagement provoqué par laser sur les surfaces
optiques —
Partie 1:
Essai 1 sur 1
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 11254 spécifie une méthode d'essai de détermination du seuil d'endommagement
causé sur les surfaces optiques par un rayonnement laser simple.
Cette procédure d'essai s'applique à toutes les différentes combinaisons de longueur d'onde et de durée
d'impulsion de laser. Toutefois, la comparaison des données du seuil d'endommagement peut être erronée, à
moins que les mesures aient été effectuées avec une même longueur d'onde, une même durée d'impulsion et un
même diamètre de faisceau.
La présente partie de l'ISO 11254 est provisoirement limitée aux dommages irréversibles des surfaces optiques.
NOTE Des exemples pour les unités et échelles de seuil d'endommagement causé par laser sont donnés en annexe C.
AVERTISSEMNT ���� 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 des matériaux toxiques (par
exemple: ZnSe, GaAs, CdTe, ThF , chalcogénides, Be, Cr, Ni), cela peut conduire à de sérieux risques pour
4
la santé. Voir en annexe C pour des commentaires supplémentaires.
2 Références normatives
Les documents normatifs suivants contiennent des dispositions qui, par suite de la référence qui y est faite,
constituent des dispositions valables pour la présente partie de l'ISO 11254. Pour les références datées, les
amendements ultérieurs ou les révisions de ces publications ne s'appliquent pas. Toutefois, les parties prenantes
aux accords fondés sur la présente partie de l'ISO 11254 sont invitées à rechercher la possibilité d’appliquer les
éditions les plus récentes des documents normatifs indiqués ci-après. Pour les références non datées, la dernière
édition du document normatif en référence s'applique. Les membres de l’ISO et de la CEI possèdent le registre des
Normes internationales en vigueur.
ISO 10110-7 :1996, Optique et instruments d'optique� Indications sur les dessins pour éléments et systèmes
optiques� Partie 7: Tolérances d'imperfection de surface.
ISO 11145:1994, Optique et instruments d'optique� Lasers et équipements laser associés� Vocabulaire et
symboles.
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ISO 11254-1:2000(F)
3 Termes et définitions
Pour les besoins de la présente partie de l'ISO 11254, les termes et définitions donnés dans l'ISO 11145 ainsi que
les termes et définitions suivants s'appliquent.
3.1
endommagement de surface
toute modification permanente des caractéristiques de surface d'un échantillon provoquée par un rayonnement
laser quelconque et observable par une technique décrite dans cette partie de l'ISO 11254
3.2
essai 1 sur 1
programme d'essai qui utilise une irradiation simple sur chaque emplacement de la surface de l'échantillon
3.3
seuil
plus grande valeur de quantité de rayonnement laser incident sur une surface optique, pour laquelle la probabilité
extrapolée d'endommagement est nulle
NOTE La quantité de rayonnement laser peut être exprimée en densité d'énergie H ou de densité de puissance E
max max
(voir annexe C).
3.4
plan cible
plan tangentiel à la surface de l'échantillon, au point d'intersection de l'axe du faisceau laser avec la surface de
l'échantillon
3.5
surface effective
A
T,eff
rapport de de la puissance [l'énergie des impulsions] à la densité de puissance [d'énergie] maximale
NOTE 1 Pour un profil spatial de faisceau perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau et pour les angles
d'incidence différents de 0 radian, le cosinus de l'angle d'incidence doit être inclus dans le calcul de la surface effective. Dans
ce cas, la surface effective est donnée par la formule suivante:
Q
A � (1)
T,eff
H cos()�
max
P
A � (2)
T,eff
E cos()�
max
NOTE 2 Dans le cas spécial des profils de faisceau aplati rectangulaire avec un rayon d , la surface effective est donnée
100
par:
2
Q Hd� 1
max 100 2
A �� � �d (3)
T,eff 100
H 44H
max max
Pour un faisceau gaussien focalisé (faisceau circulaire) avec un rayon d , la surface effective est donnée par:
86,5
22
xy�
� 8
��
2
d
2
86,5
8r
Hxeddy
max �
�� �
2
d
Q 1
2
���� 86,5
Ae�� �2d�rr��d (4)
T,eff 86,5
�
HH 8
max max
0
Avec la définition du second moment de la fonction de distribution de la densité d'énergie H(x, y, z) situé en z:
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ISO 11254-1:2000(F)
� 2�
2
rH(,r��)rddr
z z
2
0 0
� ()z � (5)
�2�
Hr(,��)rddr
z z
0 0
et la définition du rayon de faisceau d comme fonction du second moment
�
dz()�22�()z (6)
�
la surface effective peut être exprimée sous la forme suivante:
1 1
22 2
a) faisceau rectangulaire Ad����d� 2�� ;d�d (7)
T,eff 100��100
4 4
1 1
22 2
b) faisceau gaussien Ad����d� 2�� ;d�d (8)
T,eff 86,,5��86 5
8 8
3.6
diamètre effectif du faisceau
d
T,eff
deux fois la racine carrée de la surface effective divisée par le facteur pi
A
T,eff
d � 2 (9)
T,eff
�
3.7
durée effective d'impulsion
rapport de l'énergie totale des impulsions à la puissance maximale des impulsions
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4 Symboles et unités
Tableau 1 — Symboles et unités de mesure
Symbole Unité Terme
nm longueur d'onde
�
rad angle d'incidence
�
p
degré de polarisation
d mm diamètre du faisceau dans le plan cible
T
d mm diamètre effectif du faisceau dans le plan cible
T,eff
2
A surface effective dans le plan cible
cm
T,eff
t ns, μs, s durée d'impulsion
H
t ns, μs, s durée effective d'impulsion (voir 6.2.6.2)
eff
Q
J énergie des impulsions
P W puissance de crête d'impulsion
pk
P
W puissance
2
H densité d'énergie maximale
max J/cm
2
E densité de puissance maximale
max W/cm
2
H seuil de densité d'énergie
J/cm
th
2
E seuil de densité de puissance
W/cm
th
F W/cm seuil de densité de puissance linéaire
th
N nombre total d'emplacements pour l'essai
Ts
5 Échantillonnage
On peut effectuer les essais soit sur un composant fonctionnel, soit sur un échantillon témoin. Dans ce dernier cas,
le matériau du substrat et le fini de surface de l'échantillon doivent être les mêmes que ceux du composant et le
traitement optique de l'échantillon doit être effectué par la même opération que celui du composant. Le numéro de
l'opération de traitement et la date correspondante doivent être marqués sur le composant soumis à l'essai.
6 Méthode d'essai
6.1 Principe
Le principe de base d'un essai d'endommagement au laser est illustré à la Figure 1. L'émission d'un laser stable
bien caractérisé est réglée sur la valeur souhaitée d'énergie ou de puissance à l'aide d'un atténuateur variable,
puis dirigée sur un échantillon placé au foyer ou à proximité du foyer d'un système de focalisation. Le système de
focalisation permet d'engendrer des densités d'énergie ou des densités de puissance de nature destructive au
niveau de l'échantillon d'essai.
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Légende
1 Compartiment de l'échantillon 5 Lame d'onde
2 Détecteur d'endommagement en ligne 6 Atténuateur variable
3 Diagnostic du faisceau 7 Système laser
4 Système de focalisation
Figure 1 — Schéma de principe d'une installation d'essai des dommages laser
L'échantillon est monté dans un manipulateur servant à positionner les différents sites d'essai dans le faisceau et à
régler l'angle d'incidence. L'état de polarisation est réglé à l'aide d'une plaque d'onde appropriée. Une partie du
faisceau laser incident est dérivée vers une unité diagnostic. Cet appareil permet de déterminer simultanément
l'énergie totale des impulsions et le profil spatio-temporel.
L'examen au microscope du site d'essai avant et après irradiation sert à déterminer les dommages.
L'échantillon est placé dans le faisceau de façon à obtenir différents sites d'essai ne se recouvrant pas, et soumis à
des valeurs différentes de densité d'énergie ou de densité de puissance. Les données correspondantes permettent
de déterminer le seuil d'endommagement.
Ce mode opératoire est applicable pour les essais de tous les types de systèmes laser indépendamment de la
durée d'impulsion et de la longueur d'onde. Les durées d'impulsion largement utilisées dans les applications
industrielles et scientifiques sont résumées et regroupées dans le Tableau 2.
Tableau 2 — Groupes de lasers
Groupe Description Durée d'impulsion
1 Impulsions très courtes 1 ns à 3 ns
2 Impulsions courtes 10 ns à 30 ns
3 Impulsions moyennes 1 μs à 3 μs
4 Impulsions longues 200 μs à 1 000 μs
5 Durée d'impulsion à déterminer
6 Émission continue 1 s
NOTE Les seuils d'endommagement des lasers pulsés (groupes 1 à 4) sont généralement exprimés en
2
unités de densité d'énergie (J/cm ). La durée d'impulsion du laser d'essai doit être indiquée dans le rapport
d'essai. Les seuils d'endommagement des lasers continus (groupe 6) sont généralement exprimés en unités de
densité de puissance linéaire (W/cm). La densité de puissance se réfère à la puissance moyenne durant le
temps d'irradiation. Des exemples pour les unités de seuil d'endommagement causé par laser sont donnés en
annexe C.
6.2 Appareillage
Plusieurs ensembles peuvent être distingués dans l'appareillage d'essai.
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6.2.1 Laser, délivrant des impulsions avec un profil spatial reproductible quasi gaussien ou aplati est requis.
Le profil temporel des impulsions est enregistré pendant la mesure. Pour les différents groupes de laser, les
variations maximales admissibles des paramètres des impulsions sont résumés dans le Tableau 3. Comme
spécification minimale d'un système laser du groupe 5, la variation coup par coup de la densité de puissance
maximale doit être inférieure à � 20 %. Les critères de stabilité pour les paramètres du faisceau doivent être
déterminés et inscrits dans un bilan d'erreur.
Tableau 3 — Variation maximale (en pourcentage) des paramètres du laser et variation correspondante de
densité de puissance pulsée maximale E
max
Énergie Puissance Durée Surface Densité de
d'impulsion moyenne d'impulsion effective puissance
Groupe
Q P � A
av H
T,eff E
max
1 —
� 5 � 10 � 10 � 15
2 � 5 — � 5 � 6 � 10
3 —
� 5 � 5 � 6 � 10
4 —
� 5 � 5 � 6 � 10
6— —
� 5 � 6 � 20
6.2.2 Atténuateur variable et système d'apport du faisceau
L'émission laser doit être atténuée au niveau requis au moyen d'un atténuateur extérieur variable qui est sans
altération dans la transmission et les propriétés d'imagerie.
Le système d'apport du faisceau et l'atténuateur ne doivent pas affecter les propriétés du faisceau laser de façon
incohérente avec les tolérances données en 6.2.1. En particulier, l'état de polarisation du faisceau laser ne doit pas
être altéré par le système d'apport du faisceau.
6.2.3 Système de focalisation
Le montage du système de focalisation devrait être adapté aux exigences spéciales du système laser et au profil
du faisceau souhaité dans le plan cible. Le montage spécifique et les paramètres du système de focalisation
doivent être indiqués dans le rapport d'essai. Les spécifications de la surface effective et la densité d'énergie
doivent être rapportées à la position de la surface d'essai.
Pour les faisceaux gaussiens, il est recommandé de sélectionner une ouverture du système de focalisation qui ne
soit pas inférieure à 6 fois le diamètre du faisceau à l'entrée du système de focalisation. Une ouverture f effective
minimale de 50 et un rayon de faisceau de 0,4 mm dans le plan cible sont recommandés. Il est recommandé que
le plan cible soit situé au col du faisceau, ou à proximité, formé par le système de focalisation. Pour les groupes 3
à 6, le rayon du faisceau peut être réduit en fonction de la densité de puissance nécessaire, mais pas à moins de
0,2 mm. Dans ce cas, l'ouverture f effective peut être inférieure à 50.
Pour les faisceaux aplatis, il est recommandé de positionner la surface d'essai dans le plan image du système de
focalisation avec une distance focale supérieure à 0,2 m, qui forme une image d'une ouverture adéquate dans le
trajet optique.
Des effets de cohérence dans les échantillons ayant des surfaces parallèles peuvent apparaître et affecter les
mesures. Ces effets doivent être éliminés par des techniques appropriées telles que calage ou balancement de
l'échantillon. L'application d'un faisceau hautement convergent est aussi une méthode pratique pour éliminer les
effets de cohérence dans l'échantillon.
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6.2.4 Porte-échantillon
La station d'essai doit être équipée d'un manipulateur permettant une localisation précise des sites d'essai sur
l'échantillon, avec une précision suffisante compte tenu de sa taille.
6.2.5 Détection des dommages, pour vérifier la surface avant et après l'essai.
Une technique microscopique doit être utilisée. Les recherches doivent être faites avec un microscope à lumière
incidente ayant un contraste interférentiel différentiel du type Nomarski. Le grossissement utilisé doit être de � 100
à� 150.
NOTE 1 Pour les vérifications usuelles et une mesure objective du dommage laser, un analyseur d'image peut être attaché
au microscope.
NOTE 2 Un système de détection d'endommagement approprié en ligne peut être installé pour évaluer l'état de la surface
soumise à l'essai. Pour la détection en ligne, toute technique appropriée peut être utilisée. Les techniques adaptées à ce sujet
sont par exemple les techniques microscopiques conjuguées avec des analyseurs d'image, la détection photo-acoustique ou
photo-thermique, aussi bien que les mesures de diffusion utilisant un laser séparé ou le rayonnement provenant du laser
générant les dommages. Un montage typique pour un système de mesure de diffusion en ligne est décrit dans l'ISO 11254-2.
6.2.6 Diagnostic du faisceau
6.2.6.1 Mesurage de l'énergie et puissance totale des impulsions
L'unité diagnostic doit être équipée d'un détecteur étalonné pour mesurer l'énergie des impulsions ou la puissance
du faisceau reçue sur le plan cible. Cet instrument doit être raccordable à un étalon national avec une incertitude
absolue de� 5 % ou mieux.
6.2.6.2 Analyse du profil temporel
L'unité diagnostic doit être équipée d'un appareillage permettant d'analyser le profil temporel du laser en vue de
déterminer la durée d'impulsion. Le profil temporel doit faire l'objet d'une intégration pour déterminer le rapport de
l'énergie des impulsions totale Q à la puissance maximale des impulsions P . Ce rapport est appelé durée
pk
effective d'impulsion t
.
eff
�
Pt()dt
z
Q
0
t�� (10)
eff
P P
pk pk
Pour les lasers pulsés (groupes 1 à 4), les limites supérieures pour la résolution temporelle de la mesure de durée
d'impulsion sont définies dans le Tableau 4. Pour les lasers du groupe 6, la stabilité temporelle de la sortie doit être
déterminée avec une résolution d'au moins 10 ms. Pour les lasers non inclus dans le tableau 4, la limite supérieure
de la résolution temporelle ne doit pas excéder 10 % de la durée effective d'impulsion.
Tableau 4 — Limites supérieures pour la résolution temporelle
de la mesure de durée d'impulsion
Groupe Résolution temporelle
1 100 ps
21ns
3 100 ns
410μs
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6.2.6.3 Profil spatial
Dans tous les cas, le profil spatial doit être analysé dans le plan cible ou dans un plan équivalent. L'unité diagnostic
doit être équipée d'une instrumentation pour mesurer le profil spatial bi-dimensionnel avec une résolution spatiale
de 1,5 % ou mieux du diamètre du faisceau.
La densité d'énergie maximale ou la densité de puissance du faisceau doivent être déterminées comme suit.
Le profil bidimensionnel doit être intégré pour déterminer le rapport de l'énergie totale des impulsions Q à la densité
d'énergie maximale H ou le rapport de la puissance P à la densité de puissance maximale E respectivement.
max max
La surface effective A est déduite des formules suivantes:
T,eff
� �
Hx(,y)ddx y
z z
Q
����
A �� (11)
T,eff
H H
max max
� �
Exy(, )ddx y
z z
P
����
A �� (12)
T,eff
E E
max max
La densité d'énergie maximale H est donnée par
max
Q
H � (13)
max
A
T,eff
La densité de puissance maximale E est donnée par
max
H
max
E � (14)
max
t
eff
La densité de puissance maximale E est donnée par
max
P
E � (15)
max
A
T,eff
L'équipement d'essai doit être caractérisé par les paramètres suivants:
a) longueur d'onde,�;
b) angle d'incidence,�;
c) degré de polarisation, p;
d) rayon du faisceau dans le plan cible, d ;
T
e) rayon effectif du faisceau dans le plan cible, d ;
T,eff
f) durée d'impulsion, t ;
H
g) durée effective d'impulsion, t ;
eff
h) nombre (minimal) de sites d'essai pour chaque valeur de densité d'énergie;
i) nombre total de sites par essai, N .
TS
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6.3 Préparation des échantilllons pour essai
La longueur d'onde, l'angle d'incidence et la polarisation du rayonnement laser utilisé pour l'essai doivent être
conformes aux spécifications du fabricant pour une utilisation normale. Si les valeurs de ces paramètres sont
données sous forme de plages, toute combinaison arbitraire de longueur d'onde, angle d'incidence et polarisation,
à l'intérieur de ces plages, peut être utilisée.
Le stockage, le nettoyage et la préparation des échantillons doivent être conformes aux spécifications données par
le fabricant pour une utilisation normale.
En absence d'instructions spécifiques du fabricant, la procédure suivante doit s'appliquer:
a) L'échantillon doit être stocké pendant les 24 h précédant l'essai à moins de 50 % d'humidité relative.
L'échantillon doit être manipulé sans toucher ses surfaces optiques.
b) Avant l'essai, une évaluation de la qualité (ISO/DIS 10110-7) et de la propreté de surface doit être effectuée à
l'aide d'un microscope Nomarski à fond noir, sous un grossissement d'au moins � 150.
c) En cas de contamination, l'échantillon doit être nettoyé. La méthode de nettoyage doit être indiquée dans la
documentation. Si la contamination ne peut pas être éliminée, elle doit être enregistrée par des moyens
photographiques ou électroniques avant l'essai.
d) Aucune particule de poussière ne doit être constatée sur le site d'essai pendant l'irradiation. L'environnement
de l'essai doit être de l'air filtré propre de moins de 50 % d'humidité relative et doit être indiqué dans la
documentation.
e) Les sites d'essai doivent être disposés d'une manière bien définie et reproductible. Le quadrillage d'essai doit
être rapporté à des points de référence fixes sur l'échantillon. Il est admis d'effectuer des marquages à des
emplacements connus de l'échantillon pour servir de points de référence, uniquement après l'essai et avant
que l'échantillon ne soit enlevé de sa position.
NOTE Il est habituellement possible d'utiliser un ou plusieurs points d'endommagement important comme points de
référence plutôt que la surface de l'échantillon potentiellement contaminée. Ceci est préférable quand il est probable que
d'autres essais seront effectués sur l'échantillon.
6.4 Mode opératoire
Un certain nombre de sites d'essai sont positionnés dans le faisceau et irradiés à différents niveaux de densité
d'énergie ou de densité de puissance. À partir de ces données, le seuil d'endommagement peut être déterminé.
L'essai doit porter sur un minimum de 10 emplacements pour chaque incrément de densité d'énergie ou densité de
puissance. La plage des énergies des impulsions ou des puissances de faisceau doit être suffisamment large pour
inclure les points où la fréquence de dommage est 0 %, ainsi que les points de probabilité 100 % d'endom-
magement.
7 Évaluation
Les données de seuil d'endommagement sont obtenues par la méthode de probabilité d'endommagement. Un
minimum de 10 sites est exposé à une énergie des impulsions (ou une puissance de faisceau) et le nombre des
emplacements endommagés est enregistré. Cette procédure est répétée pour d'autres énergies des impulsions ou
puissances de faisceau pour établir une courbe de la probabilité des dommages en fonction de l'énergie ou de la
puissance. Un exemple est donné à la Figure 2. Une extrapolation linéaire de la probabilité d'endommagement par
rapport à la probabilité de dommage nulle donne le seuil d'endommagement. La valeur du seuil est
convenablement convertie en seuil de densité d'énergie H ou en seuil de densité de puissance E tel que décrit
th th
en 6.2.6.3.
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ISO 11254-1:2000(F)
Dans le cas de système laser avec une variation d'énergie coup par coup, il est aussi autorisé d'exposer
l'échantillon à des énergies des impulsions arbitraires et de classer les données en fonction des intervalles
d'énergie appropriés après l'expérimentation. Il est recommandé qu'un minimum de 10 sites soit soumis à essai à
l'intérieur d'un intervalle d'énergie.
NOTE Pour une procédure de mesure efficace avec un maximum d'exactitude, pour un nombre de sites donné, un
exemple approprié figure à l'annexe B.
Figure 2 — Courbe de détermination du seuil d'endommagement en fonction des données expériment
...
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