ISO/TR 21254-4:2011

Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold — Part 4: Inspection, detection and measurement

ISO/TR 21254-4:2011 describes techniques for the inspection and detection of laser-induced damage on optical surfaces and in the bulk of optical components.

Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement provoqué par laser — Partie 4: Inspection, détection et mesurages

L'ISO/TR 21254-4:2011 décrit les techniques de contrôle et de détection des dommages provoqués par laser sur les surfaces optiques et dans le volume des composants optiques.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 24-Aug-2011
• ICS: 31.260 - Optoelectronics. Laser equipment
• Technical Committee: ISO/TC 172/SC 9 - Laser and electro-optical systems
• Drafting Committee: ISO/TC 172/SC 9 - Laser and electro-optical systems
• Current Stage: 6060 - International Standard published
• Due Date: 15-Feb-2013
• Completion Date: 25-Aug-2011

Standards Content (Sample)

TECHNICAL ISO/TR
REPORT 21254-4
First edition
2011-09-01

Lasers and laser-related equipment —
Test methods for laser-induced damage
threshold —
Part 4:
Inspection, detection and measurement
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du
seuil d'endommagement provoqué par laser —
Partie 4: Inspection, détection et mesurages




Reference number
ISO/TR 21254-4:2011(E)
©
ISO 2011

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ISO/TR 21254-4:2011(E)

COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT


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ISO/TR 21254-4:2011(E)
Contents Page
Foreword . iv
Introduction . v
1  Scope . 1
2  Normative references . 1
3  Terms and definitions . 1
4  Damage detection methods . 1
4.1  General . 1
4.2  Summary of damage detection methods . 2
4.3  Collection of radiation from the sample . 3
4.3.1  Scatter detection techniques . 3
4.3.2  Detection of plasma and thermal radiation . 4
4.3.3  Fluorescence . 4
4.4  Detection of changes in reflectance or transmittance and imaging techniques . 5
4.4.1  Online detection of changes in reflectance or transmittance . 5
4.4.2  Online microscopy . 7
4.5  Photothermal detection schemes . 8
4.5.1  General . 8
4.5.2  Photothermal deflection and surface thermal lensing . 8
4.5.3  Mirage effect . 10
4.6  Transient pressure sensing . 10
5  Inspection techniques after the laser test sequence . 11
5.1  General . 11
5.2  Nomarski microscopy . 12
5.3  Microscopic image comparator . 12
5.4  Laser scanning microscopy . 14
5.5  Mapping techniques . 15
5.6  Electron microscopy . 16
5.7  Atomic force microscopy . 17
5.8  Confocal microscopy . 17
Bibliography . 19

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ISO/TR 21254-4:2011(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
In exceptional circumstances, when a technical committee has collected data of a different kind from that
which is normally published as an International Standard (“state of the art”, for example), it may decide by a
simple majority vote of its participating members to publish a Technical Report. A Technical Report is entirely
informative in nature and does not have to be reviewed until the data it provides are considered to be no
longer valid or useful.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO/TR 21254-4 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee
SC 9, Electro-optical systems.
ISO 21254 consists of the following parts, under the general title Lasers and laser-related equipment — Test
methods for laser-induced damage threshold:
 Part 1: Definition and general principles
 Part 2: Threshold determination
 Part 3: Assurance of laser power (energy) handling capabilities
 Part 4: Inspection, detection and measurement
iv © ISO 2011 – All rights reserved

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ISO/TR 21254-4:2011(E)
Introduction
Detection programmes for laser-induced damage threshold always involve sensitive techniques for the
inspection of surfaces and the detection of damage. In a typical detection protocol, each sample is inspected
prior to the test by microscopic methods to evaluate the surface quality and to assess imperfections. During
the irradiation of the sample in S-on-1, damage testing, a variety of online-monitoring schemes is applied to
detect damage.
Examples of these methods include the detection of light scattered by the test area, the collection of plasma
radiation, or photothermal detection schemes. In most cases, the detection system is directly linked to the
laser to interrupt the irradiation of the sample promptly at the first instance of damage. In this way catastrophic
damage of the component can be avoided, and the number of pulses until the appearance of first damage can
be determined precisely. Also, this direct information on the state of damage can be processed in the course
of the running test to determine energy levels for the following interrogations optimised to minimise detection
uncertainties. For the same reason, sophisticated detection schemes based on direct imaging and online
image processing can be often found in 1-on-1 detection facilities. The irradiation sequence on the samples is
followed by inspection using an appropriate technique to identify the damaged sites and to gain information on
the contributing damage mechanisms. This inspection of the interrogated sites is essential for an accurate
determination of the damage thresholds because it is the final and most sensitive assessment of the state of
damage.
This Technical Report describes selected techniques for the inspection of optical surfaces prior to and after
damage testing, and damage detection techniques integrated in detection facilities. The described damage
detection methods are examples of practical solutions tested and often applied in detection facilities. The
application of other schemes for the detection or inspection of damage in optical components is not excluded
by this Technical Report.

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TECHNICAL REPORT ISO/TR 21254-4:2011(E)

Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-
induced damage threshold —
Part 4:
Inspection, detection and measurement
1 Scope
This part of ISO 21254 describes techniques for the inspection and detection of laser-induced damage on
optical surfaces and in the bulk of optical components.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 11145, Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and symbols
ISO 21254-1, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold —
Part 1: Definitions and general principles
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 11145 and ISO 21254-1 apply.
4 Damage detection methods
4.1 General
For damage test methods involving more than one pulse per test site, an appropriate online damage detection
system is needed to evaluate the state of the surface under test according ISO 21254-1. It is recommended
that the online damage detection system should have the facility for cutting off subsequent pulses and for
stopping the pulse counter after detection of damage.
For online damage detection, any appropriate principle can be used. Techniques suited to this purpose are for
instance online microscopic techniques, photoacoustic and photothermal detection, as well as scatter
detections using a separate laser or radiation from the damaging laser. In the following examples for online
damage detection schemes are described which are based on the collection of radiation from the sample, the
detection of specific sample properties, and photothermal methods. In addition, a technique based on
transient pressure sensing is outlined as an example for a non-optical online detection method. The described
techniques are illustrated by schemes published in the open literature. This selection of practical examples is
considered for descriptive purposes only and does not indicate any preferences or recommendation for these
schemes.
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ISO/TR 21254-4:2011(E)
4.2 Summary of damage detection methods
The major features of the described online damage detection methods are compiled in Table 1. Besides the
fundamental principle, specific advantages and disadvantages are considered.
Table 1 — Advantages and disadvantages of damage detection methods
Damage detection
method Advantages Disadvantages
(reference)
 low experimental expense  indirect detection: signal not correlated to
Scatter detection
 clear correlation to and preferred for damage mechanism
techniques
morphological damage  less suitable for layer structures with
 suitable for automatic sequences overcoatings or rugate filters
(4.3.1)
 high sensitivity and reliability  not sensitive to compaction
 small reaction time (ns)
 selective detection of surface or bulk and
surface damage
 low experimental expense  dependent on environment
Plasma and thermal
 signal amplitude correlated to damage  reduced sensitivity: plasma radiation might
radiation
mechanisms appear without surface damage and vice
 small reaction time (ns) versa
(4.3.2)
 signal interpretation with respect to damage
difficult
 difficult data reduction
 signal correlated to damage mechanisms  high experimental expense
Fluorescence
and interpretable  reduced sensitivity: correlation of damage to
 small reaction time (ns) fluorescence signal might be complex and
(4.3.3)
 preferred for colour centre detection sample specific
 signal interpretation with respect to damage
difficult
 material specific calibration necessary
 low experimental expense  indirect detection: signal not correlated to
Reflectance
 high sensitivity and clear correlation to damage mechanism
transmittance
functional damage  not suitable for all kind of optics
 suitable for automatic sequences
(4.4.1)
 high reliability
 small reaction time (ns)
 direct image generation  high experimental expense
Online microscopy
 reliability best achievable for surfaces  low response time (10 ms-range)
 complex data reduction possible
(4.4.2)
 suitable for automatic sequences
 evaluation of absorptance  signal interpretation with respect to damage
Photothermal
 high sensitivity difficult
deflection and
 signal correlated to damage mechanisms  low temporal resolution (ms)
lensing and Mirage
 pre-damage effects detectable
effect
 photoacoustic and thermal effects (Mirage
effect)
(4.5)
 vibration and misalignment insensitive  only suitable for high vacuum conditions
Transient pressure
 suitable for curved or scattering samples  not suitable for small (< 200 µm) spot sizes
sensing
 analysis of ablated species possible (low ablated mass)
allowing for an interpretation of damage
(4.6)
mechanisms (with mass spectrometer)

2 © ISO 2011 – All rights reserved

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ISO/TR 21254-4:2011(E)
4.3 Collection of radiation from the sample
4.3.1 Scatter detection techniques
A prominent concept for online damage detection is the collection of radiation scattered by the component
under test. The increase in optical scattering of the test site is interpreted as a direct consequence of the bulk
or surface properties altered by the contributing damage mechanisms. The arrangements can be operated
directly by the detection of scattered radiation from the test laser (see Figure 1) or on the basis of scattering
from a beam of a separate laser superimposed with the test laser beam on the test site (see Figure 2). In
systems based on scattering of test laser radiation, the method can be implemented with a few additional
optical components collecting the scattered radiation on a detector. For collection of the scattered radiation on
the detector element lenses or concave mirrors are employed. For set-ups with separate source a laser with
excellent pointing stability and minimum intensity fluctuations is used as radiation source. The laser light is
refined by a beam preparation system that normally consists of telescope systems with apertures, spatial
filters and optical components for modulating the laser power density. After beam preparation, the laser beam
is focused onto the actual site of the specimen under damage test. The scattered radiation is collected by a
lens and detected by a photo detector. The fraction of the laser beam reflected by the specimen surface is cut
out by a negative aperture. To achieve high sensitivity and low interference with other light sources in the
environment of the set-up, phase sensitive detection techniques and an interference filter for the laser
wavelength are recommended. In all set-ups the detector signal should be recorded with sufficient temporal
resolution to identify the onset of damage instantly in correlation to the individual pulses of the test laser.

NOTE See Reference [5].
Key
1 motorized attenuator 6 achromate
2 Ti: Sapphire CPA-Laser 7 sample translator
3 measurement controlling PC 8 online damage detector
4 energy detector 9 HR 45°
5 power meter
Figure 1 — Typical set-up for an online scatter detection system
on the basis of radiation scattered from the test laser beam
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ISO/TR 21254-4:2011(E)
Scatter detection systems for damage detection demonstrate high reliability for damage mechanisms which
influence the structure of the surface or induce defects in the bulk of the test sample. The detection scheme is
occasionally not appropriate for specimens which are damaged by effects involving a complete delamination
of coatings from the surface. In some cases a reduction of the scatter signal is observed during the initial
irradiation phase which is attributed to surface cleaning or conditioning effects.

Key
1 test beam
2 test sample
3 filter stack
4 detector
5 beam dump
6 probe beam
7 probe laser
Figure 2 — Typical set-up for an online scatter detection system
with a separate laser source and a negative aperture
4.3.2 Detection of plasma and thermal radiation
[6][15]
Often the emission of radiation from laser-induced plasma is observed in the event of surface damage .
This radiation can be detected as a damage indicator with an arrangement similar to the detection system
used for direct online scatter detections. To select the plasma emission from the radiation of the test laser, a
set of filters with high optical density for the test laser wavelength is recommended. Plasma radiation can be
measured in a broad spectral range from the MIR to DUV. In some set-ups the wavelength is selected in the
NIR and is simultaneously interpreted as a pyrometric signal for an in-situ detection of the sample temperature
(see Figure 3). Although a temperature calibration of the system is dependent on a variety of specific
parameters of the sample, the evaluation of the temperature radiation allows for additional insights into the
contributing damage mechanisms. Detection schemes based on plasma radiation suffer from the fact that
plasma can also occur during laser irradiation without surface damage.
4.3.3 Fluorescence
The spectrophotometric detection of fluorescence radiation allows for a detailed interpretation of electronic
states and transitions during irradiation of the sample material. As a consequence of high photon energies the
method offers interesting aspects for the damage testing in the UV/DUV-spectral range. In most cases,
fluorescence occurs already at relatively small irradiation energies well below the damage threshold of the test
component. Therefore, damage detection is dependent on a complex evaluation of the fluorescence spectra
which restricts the principle to special applications and specimens.
4 © ISO 2011 – All rights reserved

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ISO/TR 21254-4:2011(E)

a)  Example of a set-up b)  Signals detected during irradiation by a pulse
[6]
train (12 pulses,  = 1 064 nm, d = 0,5 mm )
86,5
Key
1 incident laser beam
2 dichroitic beam splitter HT 1060/HR 850/45°
3 filter set HT 850/HR 1060
4 Si – photodiode
5 aperture adjusted for spot size
6 scatter field
7 focusing lens
8 temperature radiation
9 sample
10 spot size
11 plasma
12 damage
X time scale [µs]
Y1 energy [relative units]
Y2 temperature [°C]
Y3 transmission [%]
Figure 3 — Example of a set-up on the basis of radiation emitted by the sample surface during
damage or laser heating; diagram depicting the signals detected during irradiation by a pulse train
4.4 Detection of changes in reflectance or transmittance and imaging techniques
4.4.1 Online detection of changes in reflectance or transmittance
During and after the event of damage, the optical transfer properties of specimen are significantly altered. This
effect is the basis for a variety of damage detection schemes involving online detections of the changes in
reflectance or transmittance of the specimen. Similar to the scatter detection schemes, the radiation of the test
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ISO/TR 21254-4:2011(E)
laser or of a separate source can be employed for the detection. Detection schemes for test laser radiation
transmitted by the sample can be realized with a single detector unit which is placed behind the sample (see
Figure 4). The detector unit contains attenuators to adjust the maximum laser power impinging onto the
detector and an appropriate signal processing system with sufficient bandwidth to distinguish the effect of
each individual pulse on the transmittance of the sample. The reliability of these systems is comparable to
online scatter detection units. Samples with high transmittance or reflectance, as well as specimens with
predominant bulk damage will require consideration with caution.

Key
1 HR
2 shutter
3 shutter control
4 controlling computer
5 detector
6 sample holder
7 focusing lens
8 PR 4 %
9 reference detector
NOTE See Reference [7].
Figure 4 — Example for a detection scheme based on
a direct detection of transmittance at the test wavelength
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ISO/TR 21254-4:2011(E)

Key
1 attenuator
2 test beam
3 test sample
4 x/y motion stage
5 microscope and CCD camera
6 PC
7 energy detector
NOTE See Reference [8].
Figure 5 — Example for a set-up with a microscopic
inspection system apart from the irradiation area
4.4.2 Online microscopy
Online microscopic systems allow for a direct inspection of the surface during the irradiation sequence. Often,
in-situ microscopic systems are constructed using a long distance microscope which is linked to an electronic
camera (see Figure 5). Images are processed in a computer typically with pixel by pixel comparing algorithms
which define damage on the basis of a preselected number threshold of pixels altered by laser-induced
damage (see Figure 6). As a consequence of the relatively time consuming data reduction process, the time
resolution of online microscopic methods is restricted to the range of a few ten milliseconds. Also, the
identification of a damage event is relatively complex and sensitive to influences from the environment. Laser
cleaning effects are observed which might be interpreted as a damage event by online microscopic systems.
Other limitations on the spatial resolution are imposed on the technique by the minimum pixel size of modern
camera systems. In order to increase the resolution, a microscopic system with small working distance may
be also mounted near the sample holder. In this configuration, the specimen can be translated from the
irradiation area to the focus of the microscope by the sample stage. After inspection, the sample can be
repositioned in the irradiation area. This technique is only practicable for 1-on-1 damage facilities or S-on-1
testing on the basis of the extrapolation method (see Figure 5).
© ISO 2011 – All rights reserved 7

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ISO/TR 21254-4:2011(E)

a)  Example of the evaluation of b)  Example of the evaluation of c)  Damage sites are detected
microscopic images recorded microscopic images recorded by an image comparator
before irradiation (TEA-CO - after irradiation (TEA-CO -Laser) algorithm including false colour
2 2
Laser) of sample surface of sample surface representation
NOTE See Reference [9].
Figure 6 — Images showing laser-induced damage
4.5 Photothermal detection schemes
4.5.1 General
[16][17][18]
A variety of different detection schemes can be employed to analyse the photothermal effects
occurring during damage. A general representation of these effects is given in Figure 7. Most of the schemes
have been applied for damage detection. In the following, detection schemes will be considered which are
more often employed. The interpretation of the monitored signals in respect to damage phenomena is
extremely complex and cannot be performed without human intervention in most cases. Therefore,
photothermal detection schemes are predominantly applied in fundamental research and are rarely found in
damage detection facilities dedicated to routine quality control.
4.5.2 Photothermal deflection and surface thermal lensing
The principle of the photothermal deflection method is illustrated by detection scheme 2 (deflection technique)
in Figure 7. As a consequence of the laser heating of the interrogated site, a bulge is formed which deflects
the probe beam. For the detection of the photothermal deflection signal, a probe beam is directed onto the test
site. The position of the reflected probe beam is monitored by a position sensitive detector. Surface
displacements below 1 Å can be resolved. The major components of a surface thermal lensing experiment are
depicted in Figure 8. In contrast to the thermal deflection effect, the deviation of the focus of the probe beam
due to the laser-induced bulge is detected. Advantages of these two detection schemes are the relatively high
sensitivity and the possibility to detect predamage phenomena. If the deflection system is calibrated to
absorption, the dynamic behaviour of absorptance in the specimen can be also analysed.
8 © ISO 2011 – All rights reserved

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ISO/TR 21254-4:2011(E)

Key
1 photoacoustic technique
2 photothermal deformation or deflection technique
3 Mirage effect
4 laser calorimetry
5 radiometry
NOTE The different photothermal methods can be classified according to the detection channels for the laser-
induced thermal effects. Examples are illustrated for photoacoustic techniques (1), photothermal deformation or deflection
technique (2), the Mirage effect (3), laser calorimetry (4) and radiometry (5).
Figure 7 — Photothermal detection schemes

Key
1 HeNe-Laser 4 pinhole 7 beam splitter 10 homogenizer and field lens
2 attenuator 5 focusing lens 8 pyrometer 11 variable attenuator
3 sample 6 photodiode 9 mask 12 Eximer-Laser
NOTE See Reference [10].
Figure 8 — Example set-up for the detection of damage by surface thermal lensing
© ISO 2011 – All rights reserved 9

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ISO/TR 21254-4:2011(E)
4.5.3 Mirage effect
The Mirage effect is based on the detection scheme 3 (Mirage effect) illustrated in Figure 7. As a
consequence of the instantaneous heating of the surface, an acoustic shockwave (photoacoustic Mirage
effect) is emitted and deflects the probe beam. Also heat is transported by heat conduction from the surface in
the ambient material resulting in a transient change of the refractive index in the path of probe beam. This
temperature wave also results in a deflection of the probe beam. The deflection of the probe beam is detected
by a position sensitive detector or by an arrangement with a pinhole similar to the system depicted in Figure 8.
The deflection signal of the photoacoustic Mirage effect (see Figure 9) may be also assessed in respect to
different interaction mechanisms of the laser beam with the optical component.

Key
X time scale [µs]
Y intensity P(t)
Figure 9 — Typical temporal variation of the probe beam deflection (photoacoustic Mirage effect,
0,25 µs/div) after damage of an optical component by a TEA-CO -Laser
2
4.6 Transient pressure sensing
In the case that optical components need to be tested under vacuum conditions an online damage monitoring
method can be used that relies on a non-optical detection method. It is based on the detection of ablative
components emitted from the irradiated surface concomitant with the occurrence of laser damage. The
detection can be performed with cold cathode pressure sensors or generally with ionization gauges positioned
in the neighbourhood of the sample under inspection. It has proven to operate very sensitively under high-
-4 -4
vacuum conditions at a background pressure of < 10 mbar (at a pressure of 10 mbar, the molecular mean
free path length is 0,5 m, which has to be comp
...

RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 21254-4
Première édition
2011-09-01


Lasers et équipements associés aux
lasers — Méthodes d'essai du seuil
d'endommagement provoqué par laser —
Partie 4:
Inspection, détection et mesurages
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced
damage threshold —
Part 4: Inspection, detection and measurement




Numéro de référence
ISO/TR 21254-4:2011(F)
©
ISO 2011

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ISO/TR 21254-4:2011(F)

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quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l'accord écrit
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Publié en Suisse

ii © ISO 2011 – Tous droits réservés

---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO/TR 21254-4:2011(F)
Sommaire Page
Avant-propos . iv
Introduction . v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Méthodes de détection des dommages . 1
4.1 Généralités . 1
4.2 Résumé des méthodes de détection des dommages . 2
4.3 Captage du rayonnement de l’échantillon . 3
4.3.1 Techniques de détection de la diffusion . 3
4.3.2 Détection du rayonnement d’un plasma ou du rayonnement thermique . 5
4.3.3 Fluorescence . 5
4.4 Détection des modifications du facteur de réflexion ou de transmission et techniques
d’imagerie . 7
4.4.1 Détection des modifications du facteur de réflexion ou de transmission en ligne . 7
4.4.2 Microscopie en ligne . 8
4.5 Méthodes de détection photothermiques . 9
4.5.1 Généralités . 9
4.5.2 Déviation photothermique et effet de lentille thermique de la surface . 9
4.5.3 Effet mirage . 11
4.6 Détection de la pression transitoire . 12
5 Techniques de contrôle après la séquence d’essai par laser . 13
5.1 Généralités . 13
5.2 Microscopie Nomarski . 14
5.3 Comparateur d’images microscopiques . 14
5.4 Microscopie à balayage laser . 16
5.5 Techniques de cartographie . 17
5.6 Microscopie électronique . 18
5.7 Microscopie à force atomique . 19
5.8 Microscopie confocale . 20
Bibliographie . 22

© ISO 2011 – Tous droits réservés iii

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ISO/TR 21254-4:2011(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
Exceptionnellement, lorsqu'un comité technique a réuni des données de nature différente de celles qui sont
normalement publiées comme Normes internationales (ceci pouvant comprendre des informations sur l'état
de la technique par exemple), il peut décider, à la majorité simple de ses membres, de publier un Rapport
technique. Les Rapports techniques sont de nature purement informative et ne doivent pas nécessairement
être révisés avant que les données fournies ne soient plus jugées valables ou utiles.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO/TR 21254-4 a été élaboré par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-comité
SC 9, Systèmes électro-optiques.
L'ISO/TR 21254 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Lasers et équipements
associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement provoqué par lasers:
 Partie 1: Définitions et principes de base
 Partie 2: Détermination du seuil
 Partie 3: Possibilités de traitement par puissance (énergie) laser
 Partie 4: Inspection, détection et mesurages
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ISO/TR 21254-4:2011(F)
Introduction
Les programmes de détection du seuil d’endommagement provoqué par laser impliquent toujours des
techniques sensibles pour le contrôle des surfaces et la détection des dommages. Dans un protocole de
détection type, chaque échantillon est contrôlé avant l’essai par des méthodes microscopiques afin d’évaluer
la qualité de la surface et les imperfections. Pendant l’irradiation de l’échantillon d’un essai
d’endommagement S sur 1, diverses méthodes de contrôle en ligne sont utilisées pour détecter les
dommages.
Des exemples de méthodes utilisées incluent la détection de la lumière diffusée par la surface d’essai, le
captage du rayonnement d’un plasma ou la détection photothermique. Dans la plupart des cas, le système de
détection est directement lié au laser pour interrompre l’irradiation de l’échantillon rapidement après le premier
instant d’endommagement. De cette manière, un endommagement catastrophique du composant peut être
évité et le nombre d’impulsions jusqu’à l’apparition du premier dommage peut être déterminé avec précision.
Ces informations directes relatives à l’état d’endommagement peuvent également être traitées pendant l’essai
en cours pour déterminer les niveaux d’énergie des examens suivants, afin de réduire le plus possible les
incertitudes de détection. Pour la même raison, des systèmes complexes de détection s’appuyant sur
l’imagerie directe et le traitement en ligne des images peuvent souvent se trouver dans les installations de
détection 1 sur 1. La séquence d’irradiation des échantillons est suivie d’un contrôle à l’aide de la technique
appropriée en vue d’identifier les sites endommagés et d’obtenir des informations relatives aux mécanismes
contribuant à l’endommagement. Le contrôle des sites examinés est essentiel pour une détermination précise
des seuils d’endommagement, car il s’agit de l’évaluation finale et la plus sensible de l’état d’endommagement.
Le présent Rapport technique est consacré à une sélection de techniques pour le contrôle des surfaces
optiques avant et après l’essai d’endommagement et aux techniques de détection des dommages intégrées
dans les installations de détection. Les méthodes de détection des dommages décrites sont des exemples de
solutions pratiques soumises à essai et souvent mises en application dans les installations de détection.
L’application d’autres méthodes pour la détection ou le contrôle des dommages dans les composants
optiques n’est pas exclue par le présent Rapport technique.
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 21254-4:2011(F)

Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai
du seuil d'endommagement provoqué par laser —
Partie 4:
Inspection, détection et mesurages
1 Domaine d'application
La présente partie de l’ISO/TR 21254 décrit les techniques de contrôle et de détection des dommages
provoqués par laser sur les surfaces optiques et dans le volume des composants optiques.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 11145, Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et symboles
ISO 21254-1, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement
provoqué par laser — Partie 1: Définitions et principes de base
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 11145 et l’ISO 21254-1
s'appliquent.
4 Méthodes de détection des dommages
4.1 Généralités
Pour les méthodes d’essai d’endommagement impliquant plus d’une impulsion par site d’essai, un système
approprié de détection des dommages en ligne est nécessaire pour évaluer l’état de la surface soumise à
essai conformément à l’ISO 21254-1. Il est recommandé que le système de détection des dommages en ligne
ait la possibilité d’interrompre les impulsions suivantes et de stopper le compteur d’impulsions après la
détection d’un dommage.
Pour la détection des dommages en ligne, tout principe approprié peut être utilisé. Les techniques adaptées à
cet effet sont, par exemple, les techniques de microscopie en ligne, la détection photoacoustique ou
photothermique, ainsi que les détections de la diffusion utilisant un laser séparé ou le rayonnement provenant
du laser générant les dommages. Les exemples de détection des dommages en ligne suivants décrivent des
méthodes qui s’appuient sur le captage du rayonnement de l’échantillon, la détection de propriétés
spécifiques de l’échantillon et des méthodes photothermiques. De plus, une technique fondée sur la détection
de la pression transitoire est présentée comme exemple de méthode de détection en ligne non optique. Les
techniques décrites sont illustrées par des méthodes publiées dans la littérature ouverte. La sélection
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d’exemples pratiques est considérée uniquement à titre descriptif et n’indique aucune préférence pour ces
méthodes ou recommandation de celles-ci.
4.2 Résumé des méthodes de détection des dommages
Les principales caractéristiques des techniques de détection des dommages en ligne décrites sont
rassemblées dans le Tableau 1. Outre le principe de base, les avantages et inconvénients spécifiques sont
considérés.
Tableau 1 — Avantages et inconvénients des méthodes de détection des dommages
Méthode de
détection des
Avantages Inconvénients
dommages
(paragraphe)
Techniques de faible coût d’essai détection indirecte: signal non corrélé au
détection de la mécanisme d’endommagement
corrélation claire et utilisation préférentielle
diffusion
avec les dommages morphologiques convient moins aux structures en couches à
(4.3.1) surcouchage ou aux filtres ondulés
convient aux séquences automatiques
insensible au tassement
sensibilité et fiabilité élevées
court temps de réaction (ns)
détection sélective des dommages de surface
ou de volume et de surface
Rayonnement d’un faible coût d’essai dépendant de l’environnement
plasma et
amplitude du signal corrélée aux mécanismes sensibilité réduite: le rayonnement d’un plasma
thermique
d’endommagement peut se produire sans endommagement de
(4.3.2) surface et inversement
court temps de réaction (ns)
interprétation difficile du signal par rapport à
l’endommagement
réduction des données difficile
Fluorescence signal corrélé aux mécanismes coût d’essai élevé
d’endommagement et interprétable
(4.3.3) sensibilité réduite: la corrélation de
court temps de réaction (ns) l’endommagement avec le signal de
fluorescence peut être complexe et spécifique à
préférentielle pour la détection des centres
l’échantillon
colorés
interprétation difficile du signal par rapport à
l’endommagement
nécessité d’un étalonnage spécifique au
matériau
Facteurs de faible coût d’essai détection indirecte : signal non corrélé au
réflexion- mécanisme d’endommagement
sensibilité élevée et corrélation claire avec
transmission
l’endommagement fonctionnel ne convient pas à tous les types d’optique
(4.4.1)
convient aux séquences automatiques
fiabilité élevée
court temps de réaction (ns)
Microscopie en production directe d’images coût d’essai élevé
ligne
meilleure fiabilité possible pour les surfaces temps de réponse long (environ 10 ms)
(4.4.2)
possibilité de réduction des données
complexes
convient aux séquences automatiques
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Tableau 1 (suite)
Méthode de
détection des
Avantages Inconvénients
dommages
(paragraphe)
 évaluation du facteur d’absorption  interprétation difficile du signal par
Déviation
rapport à l’endommagement
photothermique et  sensibilité élevée
 faible résolution temporelle (ms)
effet de lentille et
 signal corrélé aux mécanismes
mirage
d’endommagement
 effets de pré-endommagement
(4.5)
détectables
 effets photoacoustiques et thermiques
(effet mirage)
 insensible aux vibrations et aux défauts  convient uniquement à des conditions de
Détection de la
d’alignement vide élevé
pression transitoire
 convient aux échantillons incurvés ou  ne convient pas à de petites (<200 µm)
(4.6)
en diffusion de point (faible masse d’ablation)
 analyse possible des espèces
d’ablation permettant une interprétation
des mécanismes d’endommagement
(avec un spectromètre de masse)
4.3 Captage du rayonnement de l’échantillon
4.3.1 Techniques de détection de la diffusion
Un concept important pour la détection des dommages en ligne est le captage du rayonnement diffusé par le
composant soumis à essai. L’augmentation de la diffusion optique du site d’essai est interprétée comme une
conséquence directe des propriétés modifiées du volume ou de la surface par les mécanismes
d’endommagement impliqués. Les montages peuvent être actionnés directement par la détection d’un
rayonnement diffusé par le laser d’essai (voir Figure 1) ou sur la base de la diffusion provenant du faisceau
d’un laser distinct superposé au faisceau du laser d’essai sur le site d’essai (voir Figure 2). Dans les systèmes
utilisant la diffusion du rayonnement du laser d’essai, la méthode peut être mise en œuvre avec quelques
composants optiques supplémentaires captant le rayonnement diffusé sur un détecteur. Pour le captage du
rayonnement diffusé sur l’élément de détection, des lentilles ou des miroirs concaves sont utilisés. Pour les
mises en œuvre à source distincte, un laser présentant une excellente stabilité de pointage et des fluctuations
minimales d’intensité est utilisé comme source de rayonnement. La lumière du laser est raffinée par un
système de préparation de faisceau qui est normalement constitué de systèmes télescopiques avec des
ouvertures, de filtres spatiaux et de composants optiques pour moduler la densité de puissance du laser.
Après sa préparation, le faisceau du laser est focalisé sur le site même de l’échantillon soumis à essai
d’endommagement. Le rayonnement diffusé est capté par une lentille et détecté par un photodétecteur. La
partie du faisceau laser réfléchie par la surface de l’échantillon est interrompue par une ouverture négative.
Pour obtenir une sensibilité élevée et une faible interférence avec les autres sources de lumière de
l’environnement de la mise en œuvre, il est recommandé d’utiliser des techniques sensibles de détection de
phase et un filtre d’interférence pour la longueur d’onde du laser. Dans toutes les mises en œuvre, il convient
d’enregistrer le signal de détection avec une résolution temporelle suffisante pour identifier instantanément le
début de l’endommagement en corrélation avec les impulsions individuelles du laser d’essai.
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NOTE Voir Référence [5].
Légende
1 atténuateur motorisé
2 laser CPA Ti:Saphir
3 ordinateur de commande des mesurages
4 détecteur d’énergie
5 dispositif de mesure de puissance
6 lentille achromatique
7 mécanisme de translation de l’échantillon
8 détecteur de dommages en ligne
9 HR à 45°
Figure 1 — Mise en œuvre type pour un système de détection de la diffusion en ligne sur la base d’un
rayonnement diffusé à partir du faisceau du laser d’essai
Les systèmes de détection de la diffusion pour la détection des dommages font preuve d’une grande fiabilité
pour les mécanismes d’endommagement qui influencent la structure de la surface ou induisent des défauts
dans le volume de l’échantillon d’essai. La méthode de détection n’est parfois par appropriée pour les
échantillons qui sont endommagés par des effets impliquant un délaminage complet des revêtements de la
surface. Dans certains cas, une réduction du signal de diffusion est observée pendant la phase d’irradiation
initiale; celle-ci est attribuée aux effets du nettoyage ou du conditionnement de la surface.
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Légende
1 faisceau d’essai
2 échantillon d’essai
3 pile de filtres
4 détecteur
5 piège à lumière
6 faisceau sonde
7 laser sonde
Figure 2 — Mise en œuvre type pour un système de détection de la diffusion en ligne avec une source
laser distincte et une ouverture négative
4.3.2 Détection du rayonnement d’un plasma ou du rayonnement thermique
L’émission du rayonnement d’un plasma produit par un laser est souvent observée dans le cas d’un
[6][15]
endommagement de surface . Ce rayonnement peut être détecté en tant qu’indicateur de dommage avec
un montage semblable au système de détection utilisé pour les détections directes de la diffusion en ligne.
Pour différencier l’émission du plasma et le rayonnement du laser d’essai, il est recommandé d’utiliser un
ensemble de filtres de densité optique élevée pour la longueur d’onde du laser d’essai. Le rayonnement d’un
plasma peut être mesuré sur une plage spectrale étendue, de l’infrarouge moyen à l’ultraviolet dangereux.
Dans certaines mises en œuvre, la longueur d’onde est sélectionnée dans l’infrarouge proche et est
simultanément interprétée en tant que signal pyrométrique pour une détection sur site de la température de
l’échantillon (voir Figure 3). Bien que l’étalonnage de la température du système dépende de plusieurs
paramètres spécifiques de l’échantillon, l’évaluation du rayonnement thermique permet d’avoir un aperçu
supplémentaire des mécanismes d’endommagement impliqués. Les méthodes de détection fondées sur le
rayonnement d’un plasma souffrent du fait qu’un plasma peut également apparaître lors d’une irradiation laser
sans endommagement de surface.
4.3.3 Fluorescence
La détection spectrophotométrique du rayonnement fluorescent permet une interprétation détaillée des états
et des transitions électroniques pendant l’irradiation du matériau de l’échantillon. Du fait des énergies élevées
des photons, cette méthode offre des points de vue intéressants pour l’essai d’endommagement sur la plage
spectrale des ultraviolets/ultraviolets dangereux. Dans la plupart des cas, la fluorescence se produit déjà à
des énergies d’irradiation relativement faibles, bien en dessous du seuil d’endommagement du composant
d’essai. La détection des dommages dépend donc d’une évaluation complexe des spectres de fluorescence
qui limite le principe aux applications et aux échantillons spéciaux.
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a)  Exemple de montage d'essai b)  Signaux détectés pendant l'irradiation par un
train d'impulsions (12 impulsions,   1 064 nm,
[6]
d  0,5 mm )
86,5
Légende
X échelle de temps [µs]
Y1 énergie [unités relatives]
Y2 température [°C]
Y3 transmission [%]
1 faisceau laser incident
2 séparateur de faisceau dichroïque HT 1060/HR 850/45°
3 ensemble de filtres HT 850/HR 1060
4 photodiode Si
5 ouverture ajustée à la dimension du faisceau
6 champ de diffusion
7 lentille de focalisation
8 rayonnement thermique
9 échantillon
10 dimension du faisceau
11 plasma
12 endommagement
Figure 3 — Exemple de montage d'essai sur la base du rayonnement émis par la surface de
l’échantillon pendant l’endommagement ou le chauffage par laser; graphique représentant les signaux
détectés pendant l’irradiation par un train d’impulsions
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4.4 Détection des modifications du facteur de réflexion ou de transmission et techniques
d’imagerie
4.4.1 Détection des modifications du facteur de réflexion ou de transmission en ligne
Pendant et après l’endommagement, les propriétés de transfert optique de l’échantillon sont
considérablement modifiées. Cet effet est la base de plusieurs méthodes de détection des dommages
impliquant les détections des modifications du facteur de réflexion ou de transmission en ligne de l’échantillon.
Comme pour les méthodes de détection de la diffusion, le rayonnement du laser d’essai ou celui d’une source
distincte peuvent être utilisés pour la détection. Les méthodes de détection pour le rayonnement laser
transmis par l’échantillon peuvent être appliquées avec une unité de détection seule placée derrière
l’échantillon (voir Figure 4). L’unité de détection contient des atténuateurs pour ajuster la puissance maximale
excessive du laser sur le détecteur et un système de traitement du signal approprié avec une bande passante
suffisante pour distinguer l’effet de chaque impulsion individuelle sur le facteur de transmission de l’échantillon.
La fiabilité de ces systèmes est comparable aux unités de détection de la diffusion en ligne. Les échantillons
dont le facteur de transmission ou de réflexion est élevé, ainsi que les échantillons dont l’endommagement est
principalement dans le volume, nécessiteront une attention particulière.

Légende
1 HR
2 obturateur
3 commande de l’obturateur
4 ordinateur de commande
5 détecteur
6 support d’échantillon
7 lentille de focalisation
8 PR 4 %
9 détecteur de référence
NOTE Voir Référence [7].
Figure 4 — Exemple de méthode de détection fondée sur la détection directe du facteur de
transmission à la longueur d’onde d’essai
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Légende
1 atténuateur
2 faisceau d’essai
3 échantillon d’essai
4 platine mobile suivant X/Y
5 microscope et caméra à dispositif à transfert de charge
6 ordinateur
7 détecteur d’énergie
NOTE Voir Référence [8].
Figure 5 — Exemple de montage d'essai avec un système de contrôle microscopique
éloigné de la surface d’irradiation
4.4.2 Microscopie en ligne
Les systèmes de microscopie en ligne permettent un contrôle direct de la surface pendant la séquence
d’irradiation. Les systèmes de microscopie sur site sont souvent constitués d’un microscope longue distance
lié à un appareil photo numérique (voir Figure 5). Les images sont traitées par ordinateur, en général à l’aide
d’algorithmes de comparaison pixel par pixel qui définissent l’endommagement à partir d’un seuil numérique
prédéfini de pixels modifiés par l’endommagement provoqué par laser (voir Figure 6). Du fait du processus
relativement chronophage de réduction des données, la résolution temporelle des méthodes de microscopie
est limitée à la plage de quelques dizaines de millisecondes. En outre, l’identification d’un endommagement
est relativement complexe et sensible aux influences de l’environnement. Des effets de nettoyage du laser
sont observés et peuvent être interprétés comme un endommagement par les systèmes de microscopie en
ligne. D’autres limitations en matière de résolution spatiale sont imposées à cette technique par la dimension
minimale des pixels des systèmes d’appareil photo modernes. Afin d’augmenter cette résolution, un système
de microscopie à courte distance de travail peut aussi être monté près du support de l’échantillon. Dans cette
configuration, l’échantillon peut être translaté de la zone d’irradiation au foyer du microscope à l’aide de la
platine de support de l’échantillon. Après contrôle, l’échantillon peut être repositionné dans la zone
d’irradiation. Cette technique n’est utilisable que pour les installations d’endommagement 1 sur 1 ou les
essais S sur 1 en fonction de la méthode d’extrapolation (voir Figure 5).
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a)  Exemple d’évaluation des b)  Exemple d’évaluation des c)  Sites d’endommagement
images de microscopie images de microscopie détectés par un algorithme de
enregistrées avant irradiation enregistrées après irradiation comparaison d’images incluant
(TEA-CO -Laser) de la surface (TEA-CO -Laser) de la surface une représentation en fausses
2 2
couleurs
de l’échantillon de l’échantillon
NOTE Voir Référence [9].
Figure 6 — Images représentant l'endommagement induit par laser
4.5 Méthodes de détection photothermiques
4.5.1 Généralités
Une variété de méthodes de détection différentes peuvent être utilisées pour analyser les effets
[16][17][18]
photothermiques se produisant pendant l’endommagement. Une représentation générale de ces
effets est donnée à la Figure 7. La plupart des méthodes ont été appliquées pour la détection des dommages.
Ci-après, les méthodes de détection le plus souvent utilisées vont être étudiées. L’interprétation des signaux
contrôlés par rapport aux phénomènes d’endommagement est extrêmement complexe et ne peut, dans la
plupart des cas, pas être réalisée sans intervention humaine. Ainsi, les méthodes de détection
photothermiques sont principalement appliquées en recherche fondamentale et se retrouvent rarement dans
les installations de détection des dommages spécialisées dans le contrôle qualité de routine.
ique de la surface
4.5.2 Déviation photothermique et effet de lentille therm
Le principe de la méthode de déviation photothermique est illustré par la méthode de détection 2 (technique
de la déviation) de la Figure 7. Du fait du chauffage par laser du site examiné, une bos
...