Optics and photonics -- Lasers and laser-related equipment -- Test method for absorptance of optical laser components

This document specifies procedures and techniques for obtaining comparable values for the absorptance of optical laser components.

Optique et photonique -- Lasers et équipements associés aux lasers -- Méthode d'essai du facteur d'absorption des composants optiques pour lasers

Le présent document spécifie les modes opératoires et les techniques utilisés pour obtenir des valeurs comparables du facteur d'absorption des composants optiques pour lasers.

General Information

Status
Published
Publication Date
04-Nov-2019
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
21-Sep-2019
Completion Date
05-Nov-2019
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ISO 11551:2019 - Optics and photonics -- Lasers and laser-related equipment -- Test method for absorptance of optical laser components
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ISO 11551:2019 - Optique et photonique -- Lasers et équipements associés aux lasers -- Méthode d'essai du facteur d'absorption des composants optiques pour lasers
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 11551
Third edition
2019-10
Corrected version
2020-01
Optics and photonics — Lasers and
laser-related equipment — Test
method for absorptance of optical
laser components
Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers
— Méthode d'essai du facteur d'absorption des composants optiques
pour lasers
Reference number
ISO 11551:2019(E)
ISO 2019
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 11551:2019(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2019

All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may

be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting

on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address

below or ISO’s member body in the country of the requester.
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CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva
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Fax: +41 22 749 09 47
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Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO 11551:2019(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ................................................................................................................................................................................................................................vi

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Symbols and units of measure ................................................................................................................................................................ 1

5 Preparation of test sample and measuring arrangement ......................................................................................... 2

6 Characteristic features of the laser radiation ........................................................................................................................ 3

7 Test procedure ........................................................................................................................................................................................................ 4

7.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 4

7.2 Calibration .................................................................................................................................................................................................. 4

7.2.1 Calibration of the power signal ........................................................................................................................... 4

7.2.2 Calibration of the temperature signal ............................................................................................................ 4

7.2.3 Calibration of the thermal response ............................................................................................................... 4

7.2.4 Measurement of the background signal ...................................................................................................... 5

7.3 Determining the absorptance .................................................................................................................................................... 5

8 Evaluation .................................................................................................................................................................................................................... 5

8.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 5

8.2 Elimination of drift .............................................................................................................................................................................. 6

8.3 Exponential method ........................................................................................................................................................................... 6

8.4 Pulse method ............................................................................................................................................................................................ 7

9 Test report ................................................................................................................................................................................................................... 7

Annex A (informative) Effects changing absorptance ......................................................................................................................10

Annex B (informative) Influence of signal distortions ....................................................................................................................12

Annex C (informative) Algorithm for parameterizing the temperature data .........................................................15

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................16

© ISO 2019 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 11551:2019(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.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).

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. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and

expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the

World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following

URL: www .iso .org/ iso/ foreword .html.

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee 9,

Laser and electro-optical systems.

This third edition cancels and replaces the second edition ISO 11551:2003 which has been technically

revised.
The main changes compared to the previous edition are as follows:

a) Introduction: The assumptions were revised in the second paragraph. Minor wording and example

adjustment in third paragraph.
b) Clause 4: Table for symbols and units was corrected.

c) Clause 5: More detailed specification of environmental conditions for UV- and IR applications are

provided in the second paragraph. ISO 7 specification was deleted.

In the fourth paragraph, Annex A is explicitly mentioned for the dependence of absorption on other

test parameters.

In the fifth paragraph, Annex B is explicitly mentioned to account for the critical issue of finite heat

conductivity.

d) In 7.2.3: In the first paragraph, the calibration procedure is specified in more detail, including the

consideration of the heating scheme for thick samples.
Note 1 is complemented by the restriction for thin samples.

Note 2 is complemented with the consideration of heating scheme for finite heat conduction.

e) In 7.3: In the first paragraph the specifications for the ambient temperature drift were clarified.

The requirements to the total temperature rise during heating were generalized.
iv © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO 11551:2019(E)

In the third paragraph the terminology “pre-irradiation” was replaced by “drift record”. The

description of the duration of the cooling period was complemented.

f) In 8.1: In the first paragraph “heat capacity” was replaced by “specific heat capacity”.

g) In A.1: “irradiation dose” added as influencing parameter.
h) In A.3: Generalization of nonlinear absorption dependencies.

i) In B.3: More detailed comments on the convergence of the temperature curves in Figure B.1.

Correction of Formulae (B.2) and (B.3). An additional paragraph with explanations for thick test

samples, including two references.
This corrected version of ISO 11551:2019 incorporates the following corrections:

— In 7.2.3, Formulae (B.1), (B.2) and (B.3), the symbol "α" has been changed into "a";

— Two signs have been corrected in Formula (C.4) to read "−Bexp" and "−t " instead of "Bexp" and "t ".

k k
© ISO 2019 – All rights reserved v
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ISO 11551:2019(E)
Introduction

To characterize an optical component, it is important to know its absorptance. When radiation impinges

upon a component, a part of that radiation is absorbed, increasing the temperature of the component.

In this document only the part of the absorbed power/energy, that is converted into heat, is measured.

If enough energy is absorbed, the optical properties of the component can change, and the component

can even be destroyed. Absorptance is the ratio of the radiant flux absorbed to the radiant flux of the

incident radiation.

In the procedures described in this document, the absorptance is determined calorimetrically as

the ratio of power or energy absorbed by the component to the total power or energy, respectively,

impinging upon the component. The assumption is made that the absorptance of the test sample is

constant within the temperature fluctuations experienced by the component during the measurement.

For most optical bulk materials, the absorptance depends on the position of the irradiating beam on the

sample surface. Several infrared materials exhibit a strong dependence of absorptance on temperature,

especially at high temperatures.
vi © ISO 2019 – All rights reserved
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 11551:2019(E)
Optics and photonics — Lasers and laser-related
equipment — Test method for absorptance of optical laser
components
1 Scope

This document specifies procedures and techniques for obtaining comparable values for the

absorptance of optical laser components.
2 Normative references

The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content

constitutes requirements 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 14644-1:2015, Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air

cleanliness by particle concentration
ISO 80000-7, Quantities and units — Part 7: Light and radiation
3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 11145 and ISO 80000-7 and

the following apply.

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
absorptance
ratio of the radiant flux absorbed to the radiant flux of the incident radiation

Note 1 to entry: The definition of absorptance used for this document is limited to absorptance processes

which convert the absorbed energy into heat. For certain types of optics and radiation, additional non-thermal

processes can result in absorption losses which will not be detected by the test procedure described here (see

Annex A).
4 Symbols and units of measure
Symbol Term Unit
C Thermal capacity of test sample, holder, etc. J/K
eff
c Specific heat capacity of test sample J/(kg·K)
d , d Beam width on test sample mm
σx σy
m Mass of test sample, holder, etc. kg
P cw power W
© ISO 2019 – All rights reserved 1
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ISO 11551:2019(E)
Symbol Term Unit
P Average laser power for continuous pulse mode operation W
P Typical peak power for repetitive pulse mode operation W
t Duration of irradiation s
Δt Time interval s
T Ambient temperature K
amb
ΔT Temperature difference K
a Absorptance 1
β Angle of incidence Rad
γ Thermal loss coefficient 1/s
λ Wavelength nm
κ Heat conductivity W/(mK)
η Mass density kg/m
Q Heat source W/m
5 Preparation of test sample and measuring arrangement

Storage, cleaning and the preparation of the test samples are carried out in accordance with the

manufacturer’s instructions for normal use.

The environment of the testing place shall be adapted to the application and test wavelength. It should

consist of dust-free filtered air with less than 50 % relative humidity. The residual dust shall be

reduced in accordance with cleanroom class 7 as defined in ISO 14644-1:2015. However, some specific

spectral ranges might require nitrogen purged environments (deep UV) or zero humidity (several IR

wavelengths). Nitrogen quality for the deep UV range should be at 99,999 % or higher. If these conditions

cannot be supplied, absorption within the surrounding atmosphere will be included in the test result.

An environment free from draughts is very important in order to keep thermal disturbances and heat

loss by convection as small as possible. Measurements in ambient atmosphere and vacuum can have

different influences on the measured absorptance.

A laser shall be used as the radiation source. To keep errors as low as possible, the laser power chosen

for measurements is as high as possible but without causing any deterioration to the component.

Wavelength, angle of incidence and state of polarization of the laser radiation used for the measurement

shall correspond to the values specified by the manufacturer for the use of the test sample. If also ranges

are accepted for these three quantities, any combination of wavelength, angle of incidence and state of

polarization may be chosen from those ranges. The absorption of an optical component can depend on

further parameters, e.g. power density or irradiation dose. In such cases, the measurement sequence

should be chosen individually. For more details, refer to Annex A.

The test sample is mounted in a suitable holder. It is preferable to mount the sample in a manner that

minimizes any thermal contact between the sample and the holder. In this arrangement, the thermal

sensor is attached directly to the sample surface. Reproducible thermal contact between the thermal

sensor and the sample surface is important. Also, care should be taken to maintain constant thermal

impedance between the sample and the holder. Accurate calibration is critically dependent on the

location of the thermal sensor, on the material the sample is made of, and on the sample geometry. Refer

to Annex B for a detailed discussion of these considerations.

It can be difficult to attach the thermal sensor to a small test sample or a sample having an irregular

shape. Such a sample is mounted to the holder in a manner that maximizes thermal contact between

the sample and the holder, while the thermal sensor is attached to or integrated into the holder.

Reproducible thermal contact between the thermal sensor and the holder is important. Also, care

should be taken to maintain constant thermal conductance between the sample and the holder.

2 © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO 11551:2019(E)

In order to increase the precision of the measurements, the sample should be mounted inside a chamber

designed for thermal shielding, with apertures for the laser beam. Special attention shall be given to

ensure that the temperature measurement itself does not cause a change of the sample temperature.

Suitable diaphragms should be placed in the beam path in front of and behind the test sample to ensure

that only the test sample is irradiated by the measuring beam and that reflected or stray radiation

will not strike the holder or the chamber walls. The number of transmissive optics employed for beam

guiding should be minimized in order to reduce possible distortions by multi-reflections or scattered

radiation. The transmitted and reflected partial beams shall be directed on to beam dumps with

minimized back scatter.

Figure 1 shows a schematic measuring arrangement. The curved folding mirror M1 is recommended for

imaging the laser output window on to the sample in order to avoid diffracted radiation influencing the

measurement.
Key
1 laser 7 test sample
2 mirror M1 8 personal computer
3 optical axis 9 beam stop
4 mirror M2 10 thermal sensor
5 test chamber 11 control unit
6 sample holder 12 power detector
Figure 1 — Typical arrangement for measurement of the absorptance
6 Characteristic features of the laser radiation

The following physical quantities are needed for characterizing the laser radiation used for the test:

— wavelength, λ;
— angle of incidence, β;
— state and degree of polarization;
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ISO 11551:2019(E)
— beam widths on the test sample, d , d ;
σx σy
— average power, P , for cw or continuously pulsed lasers;

— typical peak power, P , and pulse energy Q in the case of continuously pulsed lasers;

— duration of irradiation, t .
7 Test procedure
7.1 General

The following auxiliary tests shall be performed on a regular basis and whenever the measuring

arrangement has been altered.
7.2 Calibration
7.2.1 Calibration of the power signal

Calibrate the power signal by placing a calibrated laser power detector at the location of the test

components and, in order to obtain correct calibration, compare the measured laser power to the signal

of the power monitor used during absorptance tests.
7.2.2 Calibration of the temperature signal

Calibrate the temperature signal by fixing a test sample, to which a calibrated thermal sensor is

attached, to the sample holder. Compare the temperature signals of this calibrated sensor and the

sensors used during absorptance tests while varying the ambient temperature slowly over the linearity

range of the temperature detectors at the typical test temperature.
7.2.3 Calibration of the thermal response

For certain types of sample materials and geometries, the temperature rise induced by the absorbed

heat may differ from the theoretical response expected for ideal materials having infinite thermal

conductivity.
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 11551
Troisième édition
2019-10
Version corrigée
2020-01
Optique et photonique — Lasers et
équipements associés aux lasers
— Méthode d'essai du facteur
d'absorption des composants optiques
pour lasers
Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Test
method for absorptance of optical laser components
Numéro de référence
ISO 11551:2019(F)
ISO 2019
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ISO 11551:2019(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2019

Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette

publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,

y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut

être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.

ISO copyright office
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Tél.: +41 22 749 01 11
Fax: +41 22 749 09 47
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2019 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 11551:2019(F)
Sommaire Page

Avant-propos ..............................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ................................................................................................................................................................................................................................vi

1 Domaine d'application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 1

4 Symboles et unités de mesure ................................................................................................................................................................ 1

5 Préparation de l’échantillon d’essai et du dispositif de mesurage ..................................................................2

6 Éléments caractéristiques du faisceau laser ........................................................................................................................... 4

7 Mode opératoire.................................................................................................................................................................................................... 4

7.1 Généralités .................................................................................................................................................................................................. 4

7.2 Étalonnage .................................................................................................................................................................................................. 4

7.2.1 Étalonnage du signal de puissance .................................................................................................................. 4

7.2.2 Étalonnage du signal de température ............................................................................................................ 4

7.2.3 Étalonnage de la réponse thermique ............................................................................................................. 4

7.2.4 Mesurage du bruit de fond ...................................................................................................................................... 5

7.3 Détermination du facteur d’absorption ............................................................................................................................. 5

8 Évaluation .................................................................................................................................................................................................................... 6

8.1 Généralités .................................................................................................................................................................................................. 6

8.2 Élimination de la dérive .................................................................................................................................................................. 6

8.3 Méthode exponentielle .................................................................................................................................................................... 6

8.4 Méthode de l’impulsion ................................................................................................................................................................... 7

9 Rapport d’essai ....................................................................................................................................................................................................... 8

Annexe A (informative) Phénomènes modifiant le facteur d’absorption ...................................................................10

Annexe B (informative) Influence des distorsions du signal ....................................................................................................12

Annexe C (informative) Algorithme de paramétrisation des données de température ..............................16

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................17

© ISO 2019 – Tous droits réservés iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 11551:2019(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 (IEC) en ce qui

concerne la normalisation électrotechnique.

Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont

décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents

critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été

rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www

.iso .org/ directives).

L’attention est attirée 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. Les détails concernant

les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de

l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ patents).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions

spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion

de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles

techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/ iso/ foreword .html.

Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, Sous-

comité SC 9, Lasers et systèmes électro-optiques.

Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition ISO 11551:2003, qui a fait l’objet d’une

révision technique.

Les principales modifications par rapport à l’édition précédente sont les suivantes:

a) Introduction: Les hypothèses ont été révisées dans le deuxième alinéa. Ajustement mineur de

nature rédactionnelle et de l’exemple dans le troisième alinéa.
b) Article 4: Correction du Tableau des symboles et des unités.

c) Article 5: Des spécifications plus détaillées des conditions environnementales pour les applications

UV et IR sont fournies dans le deuxième alinéa. La spécification ISO 7 a été supprimée.

Dans le quatrième alinéa, l’Annexe A est mentionnée explicitement pour la dépendance de

l’absorption aux autres paramètres d’essai.

Dans le cinquième alinéa, l’Annexe B est mentionnée explicitement pour tenir compte du problème

critique de la conductivité thermique finie.

d) En 7.2.3: Dans le premier alinéa, le mode opératoire d’étalonnage est spécifié plus en détail en

incluant la prise en compte du schéma de chauffage pour les échantillons épais.
La Note 1 est complétée par la restriction applicable aux échantillons minces.

La Note 2 est complétée par la prise en compte du schéma de chauffage pour la conduction thermique finie.

iv © ISO 2019 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 11551:2019(F)

e) En 7.3: Dans le premier alinéa, les spécifications de la dérive en température ambiante ont été

clarifiées.

Les exigences relatives à la montée en température totale pendant le chauffage ont été généralisées.

Dans le troisième alinéa, le terme «préirradiation» a été remplacé par «enregistrement de la

dérive». La description de la durée de la période de refroidissement a été complétée.

f) En 8.1: Dans le premier alinéa, «capacité thermique» a été remplacée par «capacité thermique

spécifique».
g) En A.1: «dose d’irradiation» a été ajoutée en tant que paramètre d’influence.
h) En A.3: Généralisation des dépendances à l’absorption non linéaire.

i) En B.3: Commentaires plus détaillés sur la convergence des courbes de température à la Figure B.1.

Correction des Formules (B.2) et (B.3). Un alinéa supplémentaire avec explications pour les

échantillons d’essai épais, y compris deux références.

La présente version corrigée de l'ISO 11551:2019 inclut les corrections suivantes:

— En 7.2.3 et dans les Formules (B.1), (B.2) et (B.3), le symbole "α" a été remplacé par "a";

— Deux signes ont été corrigés dans la Formule (C.4) pour lire "−Bexp" et "−t " au lieu de "Bexp" et "t ".

k k
© ISO 2019 – Tous droits réservés v
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 11551:2019(F)
Introduction

Pour caractériser un composant optique, il est important de connaître son facteur d’absorption.

Lorsque le rayonnement atteint un composant optique, une partie de ce rayonnement est absorbée,

ce qui augmente la température de ce composant. Dans le présent document, seule la partie de la

puissance/énergie convertie en chaleur est mesurée. Si une quantité suffisante d’énergie est absorbée,

les propriétés optiques du composant peuvent changer et ce dernier risque même d’être détruit. Le

facteur d’absorption est le rapport du flux énergétique absorbé au flux énergétique du rayonnement

incident.

Dans les modes opératoires décrits dans le présent document, le facteur d’absorption est déterminé

par calorimétrie comme étant le rapport de la puissance ou de l’énergie absorbée par le composant à la

puissance ou à l’énergie totale, respectivement, atteignant le composant en question. Il est supposé que

le facteur d’absorption de l’échantillon d’essai reste constant dans la plage de variation de température

à laquelle est soumis le composant au cours du mesurage.

Pour la majorité des matériaux optiques en vrac, le facteur d’absorption dépend de la position du faisceau

irradiant sur la surface de l’échantillon. Plusieurs matériaux infrarouges manifestent une dépendance

prononcée du facteur d’absorption vis-à-vis de la température, notamment aux températures élevées.

vi © ISO 2019 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 6 ----------------------
NORME INTERNATIONALE ISO 11551:2019(F)
Optique et photonique — Lasers et équipements associés
aux lasers — Méthode d'essai du facteur d'absorption des
composants optiques pour lasers
1 Domaine d'application

Le présent document spécifie les modes opératoires et les techniques utilisés pour obtenir des valeurs

comparables du facteur d’absorption des composants optiques pour lasers.
2 Références normatives

Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu'ils constituent, pour tout ou partie de leur

contenu, des exigences 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 14644-1:2015, Salles propres et environnements maîtrisés apparentés — Partie 1: Classification de la

propreté particulaire de l'air
ISO 80000-7, Grandeurs et unités — Partie 7: Lumière et rayonnements
3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 11145 et l’ISO 80000-7,

ainsi que les suivants s’appliquent.

L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en

normalisation, consultables aux adresses suivantes:

— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp

— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
3.1
facteur d’absorption
rapport du flux énergétique absorbé au flux énergétique du rayonnement incident

Note 1 à l'article: La définition du facteur d’absorption utilisée pour le présent document est limitée aux

processus d’absorption qui convertissent l’énergie absorbée en chaleur. Pour certains types d’optiques et de

rayonnements, des processus additionnels non thermiques peuvent conduire à des pertes d’absorption qui ne

seront pas détectées par le mode opératoire décrit ici (voir l’Annexe A).
4 Symboles et unités de mesure
Symbole Définition Unité
C Capacité thermique de l’échantillon d’essai, du support, etc. J/(K)
eff
c Capacité calorifique spécifique de l'échantillon d'essai J/(kg·K)
d , d Largeur du faisceau sur l’échantillon d’essai mm
σx σy
m Masse de l’échantillon d’essai, du support, etc. kg
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Symbole Définition Unité
P Puissance du laser continu W
P Puissance moyenne du laser en mode d’impulsions continu W
P Puissance de crête typique du laser en mode d’impulsions à répétition W
t Durée d’irradiation s
Δt Intervalle de temps s
T Température ambiante K
amb
ΔT Différence de température K
a Facteur d’absorption 1
β Angle d’incidence Rad
γ Coefficient de perte thermique 1/s
λ Longueur d’onde nm
κ Conductivité thermique W/(mK)
η Densité massique kg/m
Q Source de chaleur W/m
5 Préparation de l’échantillon d’essai et du dispositif de mesurage

L’entreposage, le nettoyage et la préparation des échantillons d’essai sont effectués conformément aux

instructions données par le fabricant pour une utilisation normale.

L’environnement du lieu d’essai doit être adapté à l’application et à la longueur d’onde d’essai. Il

convient qu’il soit constitué d’air filtré, exempt de poussières, dont l’humidité relative est inférieure

à 50 %. La poussière résiduelle doit être réduite conformément à la classe 7 des salles propres telle

que définie dans l’ISO 14644-1:2015. Certaines plages spectrales spécifiques peuvent toutefois exiger

des environnements purgés à l’azote (UV profonds) ou humidité nulle (plusieurs longueurs d’onde

dans les IR). Pour la plage des UV profonds, il convient que la qualité de l’azote soit égale ou supérieure

à 99,999 %. Si ces conditions ne peuvent pas être réunies, l’absorption au sein de l’atmosphère

environnante sera incluse dans le résultat de l’essai. Il est très important que l’atmosphère soit exempte

de courants d’air pour que les perturbations thermiques et la perte de chaleur par convection soient

aussi faibles que possible. Les mesurages dans l’atmosphère ambiante ou dans le vide peuvent avoir des

influences différentes sur le facteur d’absorption mesuré.

Un laser doit être utilisé comme source de rayonnement. Pour réduire au minimum les causes d’erreurs,

la puissance du laser choisie pour les mesurages doit être aussi élevée que possible, mais sans provoquer

de détérioration du composant.

La longueur d’onde, l’angle d’incidence et l’état de polarisation du rayonnement laser utilisé pour le

mesurage doivent correspondre aux valeurs spécifiées par le fabricant pour l’utilisation de l’échantillon.

Si ces trois grandeurs sont également spécifiées sous forme de plages de valeurs, toute combinaison

de longueur d’onde, d’angle d’incidence et d’état de polarisation peut être choisie dans les plages en

question. L’absorption d’un composant optique peut dépendre de paramètres supplémentaires, par

exemple la densité de puissance ou la dose d’irradiation. Dans ces cas, il convient de choisir la séquence

de mesurage individuellement. Voir l’Annexe A pour plus d’informations.

L’échantillon d’essai est monté sur un support adapté. Il est préférable de monter l'échantillon de manière

à minimiser tout contact thermique entre l'échantillon et le support. Dans cette disposition, le capteur

thermique est fixé directement sur la surface de l'échantillon. Le contact thermique reproductible entre

le capteur thermique et la surface de l'échantillon est important. Il convient également de prendre des

précautions pour maintenir une impédance thermique constante entre l'échantillon et le support. La

précision de l'étalonnage dépend essentiellement de l'emplacement du capteur thermique, du matériau

de l'échantillon et de la géométrie de l'échantillon. Voir l’Annexe B pour une analyse détaillée de ces

considérations.
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Il peut être difficile de fixer le capteur thermique à un petit échantillon d'essai ou à un échantillon

de forme irrégulière. Un tel échantillon est monté sur le support de manière à maximiser le contact

thermique entre l'échantillon et le support, tandis que le capteur thermique est fixé ou intégré au

support. Le contact thermique reproductible entre le capteur thermique et le support est important.

Il convient également de prendre des précautions pour maintenir une impédance thermique constante

entre l'échantillon et le support.

Pour accroître la précision des mesurages, il convient de monter l’échantillon à l’intérieur d’une enceinte

calorifugée, avec une ouverture pour le faisceau laser. Une attention particulière doit être apportée pour

assurer que le mesurage de température n’entraîne aucune variation de la température de l’échantillon.

Il convient de disposer des diaphragmes appropriés dans le trajet du faisceau, devant et derrière

l’échantillon, pour s’assurer que seul ce dernier est irradié par le faisceau d’essai et qu’aucun

rayonnement réfléchi ou parasite ne risque d’atteindre le support ou les parois de l’enceinte. Il convient

de réduire le plus possible le nombre d’optiques de transmission utilisées pour le guidage du faisceau

afin de réduire les distorsions possibles par réflexions multiples ou rayonnement diffusé. Les faisceaux

partiels transmis et réfléchis doivent être dirigés vers des pièges à faisceau avec une rétrodiffusion

minimisée.

La Figure 1 représente un dispositif de mesurage schématisé. L’utilisation du miroir concave M1 est

recommandée pour former l’image de la fenêtre de sortie du laser sur l’échantillon, de façon à éviter un

rayonnement diffracté pouvant avoir une influence sur le mesurage.
Légende
1 laser 7 échantillon d’essai
2 miroir M1 8 ordinateur personnel
3 axe optique 9 arrêt du faisceau
4 miroir M2 10 capteur thermique
5 enceinte d’essai 11 unité de commande
6 support d’échantillon 12 détecteur de puissance
Figure 1 — Dispositif typique de mesurage du facteur d’absorption
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6 Éléments caractéristiques du faisceau laser

Les grandeurs physiques suivantes sont nécessaires pour caractériser le rayonnement laser utilisé pour

l’essai:
— longueur d’onde, λ;
— angle d’incidence, β;
— état et degré de polarisation;
— largeur du faisceau sur l’échantillon d’essai, d , d ;
σx σy
— puissance moyenne, P , du laser en mode d’impulsions continu;

— puissance de crête typique, P , et énergie pulsée Q du laser en mode d’impulsions à répétition;

— durée de l’irradiation, t .
7 Mode opératoire
7.1 Généralités

Les essais auxiliaires suivants doivent être menés régulièrement et à chaque fois que le dispositif de

mesurage a été modifié.
7.2 Étalonnage
7.2.1 Étalonnage du signal de puissance

Étalonner le signal de puissance en plaçant un détecteur de puissance laser étalonné à l’endroit des

composants d’essai et comparer la puissance laser mesurée au signal du moniteur de puissance utilisé

pendant les essais du facteur d’absorption, afin d’aboutir à un étalonnage correct.

7.2.2 Étalonnage du signal de température

Étalonner le signal de température en fixant un échantillon d’essai solidaire d’un capteur thermique

étalonné au support d’échantillon. Comparer les signaux de température de ce capteur étalonné à ceux

des capteurs utilisés pendant les essais du facteur d’absorption tout en faisant varier lentement la

température ambiante sur la plage de linéarité des capteurs de température à la température d’essai type.

7.2.3 Étalonnage de la réponse thermique

Pour certains types de matériaux et de formes d’échantillon, l’augmentation de température induite

par la chaleur absorbée peut différer de la réponse théorique prévisible pour les matériaux idéaux avec

une conductivité thermique infinie. Dans ces cas, un facteur de correction f doit être déterminé, lequel

compense l’influence d’un tel phénomène sur les résultats de l’essai du facteur d’absorption. Le facteur

f est égal à un si l’influence de la conductivité thermique limitée peut être négligée. Pour dériver une

valeur correcte de f , il est nécessaire que le schéma de chauffage de la routine d’étalonnage soit cohérent

avec la caractéristique de chauffage des échantillons soumis à essai. Les absorbeurs en surface doivent

être associés à un facteur de correction dérivé d’un étalonnage basé sur le chauffage de la surface. Et un

absorbeur dans la masse doit être corrigé avec un échantillon d’étalonnage chauffé dans la masse.

Pour l’étalonnage, un échantillon de référence ayant un facteur d’absorption connu, identique aux

échantillons à étudier pour ce qui concerne la géométrie du substrat et diffusion thermique, est soumis

à l’essai de facteur d’absorption décrit ci-dessous. La durée d’irradiation et la méthode d’évaluation

utilisée pour l’étalonnage doivent être les mêmes que pour l'échantillon à soumettre à essai.

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Selon la méthode d’évaluation utilisée pour l’essai du facteur d’absorption, le facteur de correction peut

être calculé en substituant la valeur du facteur d’absorption connu de l’échantillon d’étalonnage connu

pour a dans la Formule (2) (voir 8.3) ou la Formule (5) (voir 8.4), et en les résolvant pour f .

Un facteur d’absorption connu peut être obtenu en appliquant un revêtement fin et hautement absorbant

sur la surface de l’échantillon qui est irradiée. Des valeurs élevées du facteur d’absorption peuvent être

déterminées avec une exactitude suffisante, c’est-à-dire en mesurant la proportion de rayonnement

transmis, réfléchi et diffusé. Pour les essais de facteur d’absorption à valeurs élevées, il convient

que la puissance du laser soit atténuée convenablement afin d’éviter des dommages aux échantillons

et d’assurer que l’augmentation de température résultante est du même ordre de grandeur que la

température obtenue pour des mesurages classiques. Ce mode opératoire s’applique uniquement aux

échantillons ayant une absorption en surface élevée, où l’absorption dans la masse peut être négligée.

En alternative à l’irradiation d’un échantillon étalonné ayant un facteur d’absorption connu avec

le faisceau laser, l’énergie thermique peut être déposée électriquement sur l’échantillon d’essai en

fixant une résistance électrique à la surface soumise à l’essai. La puissance absorbée est donnée par

RI , où R désigne la résistance électrique et I le courant électrique pendant l’irradiation. Il convient

de veiller à assurer un bon contact thermique entre la résistance et l’échantillon. Il convient en outre,

particulièrement dans le cas des échantillons ayant une faible conductivité thermique, que la superficie

de la résistance soit adaptée à la superficie irradiée par le laser dans les conditions d’essais normales. Ce

mode opératoire peut en principe être appliqué à la fois aux échantillons avec absorption en surface et

dans la masse. Il convient de veiller à s’assurer que le schéma de chauffage de l’échantillon d’étalonnage

soit identique ou presque au schéma de chauffage attendu des échantillons d’essai.

7.2.4 Mesurage du bruit de fond

Pour une exactitude maximale et la suppression des éventuelles distorsions du signal, la formation

d’images et l’alignement du faisceau laser doivent être optimisés. Un mesurage avec un support libre

ou avec un composant sans absorption peut être effectué pour vérifier que le dispositif de mesurage

n’est pas influencé par le rayonnement réfléchi ou diffusé. L’amplitude des variations de température

pendant la durée de l’essai doit être au moins d’un ordre de grandeur inférieur à l’accroissement de

température survenant pendant l’essai du facteur d’absorption
7.3 Détermination du facteur d’absorption

Le facteur d’absorption des composants optiques est déterminé de manière calorimétrique à l’aide d’un

dispositif de mesurage tel que représenté à la Figure 1. Avant de commencer le mesurage, l’équilibre

thermique doit être établi, afin que la dérive de température soit approximativement linéaire et le bruit

de température (écart-type) soit d’au moins d’un ordre de grandeur inférieur à l’accroissement maximal

de température induit par l’irradiation. Il convient que l’accroissement maximal de température

pendant l’essai soit en accord avec la linéarité des capteurs de température.

Si le facteur d’absorption dépend soit de la densité de puissance ou d’énergie du rayonnement incident,

soit de la dose d’irradiation, cela doit être noté dans le rapport d’essai. L’essai doit être conduit dans les

conditions d’utilisation prévues des composants.
L’essai est conduit sur trois intervalles successifs:
 
— l’intervalle d’enregistrement de la dérive tt, (au moins 30 s);
 

— l’intervalle de chauffage tt,  tt=−t =5sà 300s pendant lequel le faisceau laser est

 
12 B 21
incident de la surface de l’échantillon d’essai;
— l’intervalle de refroidissement d’au moins 200 s.

Pour les échantillons d’essai dont les pertes thermiques sont élevées, il convient que l’irradiation prenne

fin nettement avant que la montée en température ne sature en raison de l’équilibre entre la puissance

absorbée et la perte thermique.
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Pendant l’essai, le signal de température de l’échantillon T(t) et le signal de la puissance laser P(t) sont

   

enregistrés. Les ensembles de données calorimétriques qui en résultent tT, t et tP, t

() ()
kk kk
   

avec k, indice de dénombrement, sont conservés pour l’évaluation du facteur d’absorption.

8 Évaluation
8.1 Généralités

Les masses, m , des composants chauffés pendant l’irradiation (échantillon d’essai, support, etc.) sont

déterminées par pesage. La capacité thermique spécifique c est relevée dans des tableaux.

Pour le calcul du facteur d’absorption, deux méthodes alternatives peuvent être utilisées: la méthode

exponentielle ou la méthode de l’impulsion. La méthode de l’impulsion est généralement applicable

pour des durées d’irradiation inférieures ou égales à 120 s, alors que la méthode exponentielle peut être

appliquée pour des durées d’irradiation supérieures à 60 s. La méthode préférable dépend également des

propriétés individuelles de l’éprouvette soumise à l’essai et des circonstances de l’essai. Dans beaucoup

de cas, il peut être utile d’appliquer les deux méthodes et de gagner une information supplémentaire sur

l’incertitude du résultat en comparant les deux résultats.
8.2 Élimination de la dérive

Avant le calcul du facteur d’absorption, les données calorimétriques doivent être analysées en

considération d’un éventuel phénomène de dérive en températ
...

Questions, Comments and Discussion

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