ISO 11254-2:2001
(Main)Lasers and laser-related equipment — Determination of laser-induced damage threshold of optical surfaces — Part 2: S-on-1 test
Lasers and laser-related equipment — Determination of laser-induced damage threshold of optical surfaces — Part 2: S-on-1 test
Lasers et équipements associés aux lasers — Détermination du seuil d'endommagement provoqué par laser sur les surfaces optiques — Partie 2: Essai S sur 1
La présente partie de l'SO 11254 spécifie une méthode d'essai pour déterminer le seuil d'endommagement causé par un rayonnement laser simple sur les surfaces optiques soumises à une succession d'impulsions laser.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 11254-2
First edition
2001-09-15
Lasers and laser-related equipment —
Determination of laser-induced damage
threshold of optical surfaces —
Part 2:
S-on-1 test
Lasers et équipements associés aux lasers — Détermination du seuil
d'endommagement provoqué par laser sur les surfaces optiques —
Partie 2: Essai S sur 1
Reference number
ISO 11254-2:2001(E)
©
ISO 2001
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ISO 11254-2:2001(E)
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ISO 11254-2:2001(E)
Contents Page
Foreword.iv
Introduction.v
1 Scope .1
2 Normative references .1
3 Terms, definitions and symbols.1
3.1 Terms and definitions .1
3.2 Symbols and units.4
4 Sampling.4
5 Test method.4
5.1 General.4
5.2 Principle.5
5.3 Apparatus .6
5.4 Preparation of test specimens .11
5.5 Procedure .11
6 Evaluation.11
6.1 Principle.11
6.2 Characteristic damage curve.12
6.3 Extrapolation method.13
7 Accuracy.15
8 Test report .16
Annex A (informative) Example of test report .18
Annex B (informative) Example of a measurement procedure.21
Annex C (informative) Extrapolation method for S-on-1 tests .25
Annex D (informative) Units and scaling of laser-induced damage thresholds .26
Bibliography.27
© ISO 2001 – All rights reserved iii
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ISO 11254-2:2001(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies (ISO
member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO technical
committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been established has
the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and non-governmental, in
liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International Electrotechnical
Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 3.
Draft International Standards adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting.
Publication as an International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this part of ISO 11254 may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
International Standard ISO 11254-2 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and optical
instruments, Subcommittee SC 9, Electro-optical systems.
ISO 11254 consists of the following parts, under the general title Lasers and laser-related equipment —
Dtermination of laser-induced damage threshold of optical surfaces:
� Part 1: 1-on-1 test
� Part 2: S-on-1 test
Annexes A to D of this part of ISO 11254 are for information only.
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ISO 11254-2:2001(E)
Introduction
Repetitive laser radiation may deteriorate and damage optical surfaces at irradiation levels below those measured
for single shot damage (ISO 11254-1 refers). Besides reversible mechanisms induced by thermal heating and
distortion, irreversible damage mechanisms due to ageing, microdamage and generation or migration of defects
are observed. This part of ISO 11254 is concerned with the determination of irreversible damage of optical surfaces
under the influence of a repetitively pulsed laser beam. The degradation of the optical quality is a function of the
laser operating parameters and the optical system in which the component is placed.
In this part of ISO 11254, two evaluation methods are described for the reduction of raw data of a damage test. The
characteristic damage curve method is based on a large number of S-on-1 test sites on the optical surface of the
specimen. The characteristic damage curve comprises a set of three graphs indicating energy density values with
damage probability values of 10 %, 50 % and 90 % for a selected number of pulses. The characteristic damage
curve represents the results of a complete and extended laser-induced damage test, and it is recommended for
basic investigations in newly developed or critical laser optics.
The second method, the extrapolation method, is created from a considerably smaller number of test sites. This
method generates a distribution diagram of damage and non-damage regions for the behaviour of the damage
threshold as a function of the number of pulses per site. This diagram is of limited reliability and may be employed
for the quality control of optical laser components, which are already qualified by a complete damage test, or for the
preparation of extended damage testing.
The present state of research in laser-induced damage and ageing is not sufficient for an accurate quantitative
determination of the service life for optical components under real operating conditions. Realistic laser damage
9 11
tests adapted to industrial applications are dependent on a large number of pulses (10 to 10 pulses) and require
a disproportionate experimental expense. This part of ISO 11254 therefore also outlines a procedure for an
extrapolation of the S-on-1 threshold from the characteristic damage curve to estimate the real lifetime of an optical
component.
NOTE 1 This part of ISO 11254 is provisionally restricted to irreversible damage of optical surfaces. Laser-induced damage to
the bulk of optical components shall be considered in a revision of this part of ISO 11254.
NOTE 2 The laser-induced damage threshold (LIDT) of an optical component which is subjected to repetitive radiation can be
affected by a variety of different degradation mechanisms including contamination, thermal heating, migration or generation of
internal defects and structural changes. These mechanisms are influenced by the laser operating parameters, the environment
and the mounting conditions of the component under test. For these reasons, it is necessary to record all parameters and to
realize that the damage behaviour may differ in systems with altered operating conditions.
Safety Warning: The extrapolation of damage data may lead to bad or erroneous calculated results and to an
overestimation of the LIDT. This may in the cases of toxic materials (e.g. ZnSe, GaAs, CdTe, ThF , chalcogenides,
4
Be, Cr, Ni) lead to severe health hazards. See annex D for further comments.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 11254-2:2001(E)
Lasers and laser-related equipment — Determination of laser-
induced damage threshold of optical surfaces —
Part 2:
S-on-1 test
1 Scope
This part of ISO 11254 specifies a test method for determining the laser-induced damage threshold of optical
surfaces subjected to a succession of similar laser pulses.
2 Normative references
The following normative documents contain provisions which, through reference in this text, constitute provisions of
this part of ISO 11254. For dated references, subsequent amendments to, or revisions of, any of these publications
do not apply. However, parties to agreements based on this part of ISO 11254 are encouraged to investigate the
possibility of applying the most recent editions of the normative documents indicated below. For undated
references, the latest edition of the normative document referred to applies. Members of ISO and IEC maintain
registers of currently valid International Standards.
ISO 10110-7:1996, Optics and optical instruments — Preparation of drawings for optical elements and systems —
Part 7: Surface imperfection tolerances.
ISO 11145:1994, Optics and optical instruments — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and
symbols.
3 Terms, definitions and symbols
3.1 Terms and definitions
For the purposes of this part of ISO 11254, the terms and definitions given in ISO 11145 and the following apply.
3.1.1
surface damage
any permanent laser radiation-induced change of the surface characteristics of the specimen which can be
observed by an inspection technique described within this part of ISO 11254
3.1.2
S-on-1 test
test programme that uses a series of pulses with constant energy density on each unexposed site with a short and
constant time interval between two successive pulses
NOTE The length of the time interval between the pulses of a series is given by the inverse value of the pulse repetition
rate of the laser source.
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ISO 11254-2:2001(E)
3.1.3
typical pulse
pulse with temporal and spatial shapes that represent the average properties of the pulses forming the pulse series
3.1.4
minimum number of pulses
number of incident pulses causing detectable surface damage
3.1.5
threshold
highest quantity of laser radiation incident upon the optical surface for which the extrapolated probability of damage
is zero
NOTE 1 The quantity of laser radiation may be expressed in energy density H , power density E , or linear power density
th th
F , depending on the pulse duration.
th
NOTE 2 The maximum power density E of the typical pulse is given by:
max
H
max
(1)
E �
max
�
eff
3.1.6
target plane
plane tangential to the surface of the specimen at the point of intersection of the test laser beam axis with the
surface of the specimen
3.1.7
effective area
ratio of pulse energy to maximum energy density in the target plane
NOTE 1 For spatial beam profiling perpendicular to the direction of beam propagation and angles of incidence differing from
0 rad, the cosine of the angle of incidence is included in the calculation of the effective area. In this case, the effective area may
be approximated by the following formula:
Q
A � (2)
T,eff
H cos �
� �
max
NOTE 2 For the special case of a circular flat-top beam profile with diameter d , the effective area is given by:
100
2
Q Hd�
max 100 2
(3)
Ad�� ��
T,eff 100
HH
max max
For a focused Gaussian beam with a beam diameter d , the effective area is given by:
86,5
22
xy�
�8
��
2
d
2
86,5
8r
H e dxdy
max
�
�� �
2
d
Q 1
���� 86,5 2
(4)
Ae�� � 2�rdr��d
T,eff 86,5
�
HH 8
max max
0
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ISO 11254-2:2001(E)
With the definition of the second moment of the energy density distribution function H(x,y,z)atthe location z,
��2
2
rH(,r��)rdrd
��
2
00
� ()z � (5)
��2
H(,r��)rdrd
��
00
and the definition of the beam diameter d as a function of the second moment
�
dz() �2 2�()z (6)
�
theeffective area canbeexpressedinthefollowingforms:
2
112 2
a) flat top beam:Ad����2;��d�d (7)
�d
T,eff 100 100 �
44
�
1122 2
b) Gaussian beam:Ad�� ��� ; �d (8)
��dd
T,eff 86,5 � 86,5 �
88
3.1.8
effective beam diameter
double the square root of the effective area divided by the factor�:
A
T,eff
d � 2 (9)
T,eff
�
3.1.9
effective pulse duration
ratio of pulse energy to maximum pulse power
3.1.10
characteristic damage curve
representation of the S-on-1 laser-induced damage threshold as a function of the number of pulses per site at a
specified pulse repetition rate
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ISO 11254-2:2001(E)
3.2 Symbols and units
Table 1 — Symbols and units of measurement
Symbol Unit Term
� nm wavelength
�
rad angle of incidence
p degree of polarization
N
minimum number of pulses causing damage
min
N
number of pulses per site
p
N
total number of sites for the test
TS
d
mm beam diameter in the target plane
T
d
T,eff mm effective beam diameter in the target plane
2
A
cm effective area in the target plane
T,eff
�
ns, �s, s pulse duration
H
� ns, �s, s effective pulse duration
eff
f
p Hz pulse repetition rate
Q J pulse energy
P
pk W peak pulse power
2
E
W/cm maximum power density
max
2
F
W/cm maximum linear power density
max
2
H
J/cm maximum energy density
max
2
E
W/cm threshold power density
th
F
W/cm threshold linear power density
th
2
H
J/cm threshold energy density
th
P
W average power
av
4 Sampling
Either a functional component or a witness specimen shall be tested. If a witness specimen is tested, the substrate
material and surface finish shall be the same as for the component, and the witness specimen shall be coated in
the same coating run as the component. The coating run number and date shall be identified for the test
component.
5 Test method
5.1 General
For determining the S-on-1 damage threshold, extensions of the set-up and the evaluation procedure for 1-on-1
damage thresholds measurements (ISO 11245-1 refers) are necessary. However, the S-on-1 measurement facility
described in this part of ISO 11245 can be applied for 1-on-1 measurements if the on-line damage detection
system is combined with a Nomarski-type differential interference contrast microscope. It is recommended that the
on-line damage detection system should have the facility for cutting off subsequent pulses and for stopping the
pulse counter.
4 © ISO 2001 – All rights reserved
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ISO 11254-2:2001(E)
5.2 Principle
The basic approach to laser damage testing is shown in Figure 1. The output of a well-characterized stable
repetitive laser is set to the desired energy or power with a variable attenuator, and delivered to the specimen
located at or near the focus of a focusing system.
Key
1 Sample compartment 5 Waveplate
2 On-line damage detector 6 Variable attenuator
3 Beam diagnostic 7 Laser system
4Focusingsystem
Figure 1 — Basic approach to S-on-1 laser damage testing
The specimen is mounted in a manipulator which is used to position different test sites in the beam and to set the
angle of incidence. The polarization state is set with an appropriate waveplate. The incident laser beam is sampled
with a beamsplitter which directs a portion of the beam to a diagnostic unit. The beam diagnostic unit permits
simultaneous determination of the total pulse energy and the spatial and temporal profiles.
The specimen is positioned at a defined location with reference to the laser beam at the specified angle of
incidence. Each test site is irradiated with pulse trains of constant energy density and repetition rate. Each test is
conducted without moving the sample, and subsequent tests are made moving the test point across the sample at
a known distance between each test site. It is recommended that the distance between each test site be greater
than three times the laser spot diameter d . During the series of tests, a sufficient number of test sites shall be
T
tested at different energy densities. The determination of the damage threshold is based on the total data and not
on the state of damage for any individual site.
This procedure is applicable to testing with all pulsed laser systems, irrespective of pulse length, repetition rate,
and wavelength. Pulse durations widely used in industrial and scientific applications are summarized and grouped
in Table 2.
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ISO 11254-2:2001(E)
Table 2 — Laser groups
Group Pulse duration
1 1 ns to3ns
2 10nsto30ns
3 1 �sto3 �s
200 �sto1000 �s
4
5 to be specified
Repetition rate classes widely used in industrial and scientific applications are given in Table 3. Lasers of these
classes are recommended for S-on-1 tests. Pulse repetition rates other than those specified in Table 3 are allowed
for the purposes of this part of ISO 11254. The pulse repetition rate classes are permitted in conjunction with every
possible laser group. The pulse duration and the pulse repetition rate of the test laser shall be documented in the
test report.
Laser-induced damage threshold values are dependent on the operating parameters of the laser system employed
for testing. For a comparison of threshold data under slightly different operating conditions, scaling laws, which are
based on modelling of experimental data, may be used. Safety aspects shall be considered for the application of
scaling laws to hazardous materials.
Table 3 — Repetition rate classes
Pulse repetition rate f in Hz
Class
p
A1
B10
C30
D 100
E 300
F 1 000
G to be specified
5.3 Apparatus
The test facility consists of individual sections with specific functions.
5.3.1 Laser
A laser delivering pulses with a reproducible near-Gaussian or near-flat-top spatial profile is required. The temporal
profile of the pulses is monitored during the measurement. Pulse trains containing pulses with a maximum power
density exceeding the variation of E in Table 4 shall be rejected for the evaluation procedure. The pulse
max
repetition rate shall be constant within an error margin of � 1 %. For the different laser groups, the maximum
allowable variations of the pulse parameters are compiled in Table 4. As a minimum specification of a laser system
not included in rows 1 to 4 in Table 2, the pulse-to-pulse variation of the maximum power density shall be less than
� 20 %. Stability criteria for the beam parameters shall be determined and documented in an error budget.
6 © ISO 2001 – All rights reserved
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ISO 11254-2:2001(E)
Table 4 — Maximum percentage variation of laser parameters and corresponding percentage variation of
maximum pulse power density E
max
Laser group Pulse energy Pulse duration Effective area Power density
A E
Q �
T,eff max
H
� 5 � 10 � 10 � 15
1
2 � 5 � 5 � 6 � 10
� 5 � 5 � 6 � 10
3
4 � 5 � 5 � 6 � 10
5.3.2 Variable attenuator and beam delivery system
The laser output shall be attenuated to the required level with an external variable attenuator that is free of drifts in
transmissivity and imaging properties.
The beam delivery system and the attenuator shall not affect the properties of the laser beam in a manner
inconsistent with the tolerances given in 5.3.1. In particular, the polarization state of the laser beam shall not be
altered by the beam delivery system.
5.3.3 Focusing system
The arrangement of the focusing system should be adapted to the special requirements of the laser system and to
the intended beam profile in the target plane. The specific arrangement and the parameters of the focussing
system shall be documented in the test report. The specifications of the active area and the energy density shall be
referred to the location of the test surface.
For Gaussian beams, it is advisable to select an aperture of the focusing system which amounts to not less than
three times the beam diameter at the entrance of the focusing system. A minimum effective f-number of 50 and a
beam diameter in the target plane not less than 0,8 mm are recommended. The target plane shall be located at or
near the focal waist formed by the focusing system. For Groups 3 to 5, the beam diameter may be reduced
depending on the power density necessary, but should not be smaller than 0,2 mm. In such cases the effective
f-number may be reduced below a value of 50.
For near-flat-top laser beams, it is advisable to position the test surface in the image plane of the focusing system
with a focal length� 0,2 m that forms an image of a suitable aperture in the optical path.
Coherence effects in specimens with parallel surfaces can occur and affect the measurement. These effects shall
be eliminated by appropriate techniques, such as wedging or tilting of the specimen. The application of a highly
converging beam is also a practical method for removing coherence effects in the specimen.
5.3.4 Specimen holder
The test station shall be equipped with a manipulator which allows for a precise placement of the test sites on the
specimen with an accuracy sufficient for the specimen size.
5.3.5 Damage detection
A microscope technique shall be used to inspect the surface before and after the test. The investigations shall be
made with an incident light microscope having Nomarski-type differential interference contrast. A magnification in
the range from � 100 to� 150 shall be used.
NOTE 1 For routine inspection and objective measurement of laser damage, an image analyser may be attached to the
microscope.
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ISO 11254-2:2001(E)
An appropriate on-line damage detection system shall be installed to evaluate the state of the surface under test.
After detection of damage, the minimum number of pulses N shall be recorded, and the measurement for the
min
next site shall be started.
NOTE 2 For S-on-1 damage testing, the detection limit of the damage monitor is not critical due to the accumulative
behaviour of the surface mechanisms. For on-line damage detection, any appropriate technique may be used. Techniques
suited to this purpose are, for instance, on-line microscopic techniques, photoacoustic and photothermal detection, as well as
scatter measurements using a separate laser or radiation from the damaging laser.
Key
1 Laser 4 Detector
2 Beam preparation system 5 Negative aperture
3 Test beam 6 Test sample
Figure 2 — Typical set-up for an on-line scatter measurement system
NOTE 3 For example, the measurement of radiation scattered by the optical surface may be applied for damage detection. A
typical set-up for on-line scatter measurements is given in Figure 2. 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 photodetector. 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.
5.3.6 Beam diagnostics
5.3.6.1 Total pulse energy and average power
The diagnostic package shall be equipped with a calibrated detector to measure the pulse energy delivered to the
target plane for each individual pulse. This instrument shall be traceable to a national standard with an absolute
uncertainty of � 5 % or better. For laser systems with high repetition frequencies, the total pulse energy may be
determined by measuring the average power, P , and the pulse repetition rate, f . In this case, the pulse energy,
av p
Q,is given by:
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ISO 11254-2:2001(E)
P
av
Q � (10)
f
p
5.3.6.2 Temporal profile
The diagnostic package shall include suitable instrumentation for analysing the temporal profile of the laser to
determine the pulse duration. The temporal profile shall be integrated to determine the ratio of total pulse energy,
Q, to peak pulse power, P . This ratio is called the effective pulse duration� :
pk eff
1/ f p
Pt()dt
�
Q
0
�� � (11)
eff
PP
pk pk
For lasers of the Groups 1 to 4, upper limits for the temporal resolution of the pulse duration measurement are
defined in Table 5. For lasers not included in Table 5, the upper limit of the temporal resolution shall not exceed
10 % of the effective pulse duration.
Table 5 — Upper limits for the temporal resolution of the pulse duration measurement
Group Temporal resolution
1 100 ps
21ns
3 100 ns
4 10 �s
5.3.6.3 Spatial profile
In all cases, the spatial profile shall be analysed in the target plane or an equivalent plane. The diagnostic package
shall be equipped with instrumentation to measure the two dimensional spatial profile with a spatial resolution of
� 1,5 % of the beam diameter or better.
The maximum energy density of the beam shall be determined as follows:
The two dimensional profile shall be integrated to determine the ratio of total pulse energy, Q, to maximum energy
density, H . This ratio is called the effective area A .
max T,eff
��
Hx(,y)dxdy
��
Q
�� ��
A �� (12)
T,eff
HH
max max
The maximum energy density, H , may be expressed in terms of total pulse energy or average power and pulse
max,
repetition rate:
P
Q
av
H �� (13)
max
A Af
T,eff T,eff p
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ISO 11254-2:2001(E)
5.3.6.4 Typical pulse
For the determination of the spatial profile of the typical pulse, a significant fraction of the number of pulses used for
an individual site shall be recorded by the spatial profiling system. The spatial profile of the typical pulse is defined
by the average distribution of the power density recorded during the measurement cycle for an individual site. The
temporal profile and the energy of the typical pulse are given by the corresponding average data of all pulses
employed for testing of an individual site on the test surface. The test report shall contain a depiction of the
temporal and spatial profile of the typical pulse.
NOTE For the evaluation of the temporal profile, the
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 11254-2
Première édition
2001-09-15
Lasers et équipements associés
aux lasers — Détermination du seuil
d'endommagement provoqué par laser sur
les surfaces optiques —
Partie 2:
Essai S sur 1
Lasers and laser-related equipment — Determination of laser-induced
damage threshold of optical surfaces —
Part 2: S-on-1 test
Numéro de référence
ISO 11254-2:2001(F)
©
ISO 2001
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ISO 11254-2:2001(F)
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---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 11254-2:2001(F)
Sommaire Page
Avant-propos.iv
Introduction.v
1 Domaine d'application.1
2Références normatives .1
3 Termes, définitions et symboles .1
3.1 Termes et définitions.1
3.2 Symboles et unités de mesure .4
4 Échantillonnage .4
5Méthode d'essai .4
5.1 Généralités .4
5.2 Principe.4
5.3 Appareillage.6
5.4 Préparation des échantilllons pour essai.10
5.5 Mode opératoire.11
6 Évaluation.11
6.1 Principe.11
6.2 Courbe d'endommagement caractéristique.12
6.3 Méthode d'extrapolation .13
7 Exactitude.15
8 Rapport d'essai .16
Annexe A (informative) Modèle de rapport d'essai .18
Annexe B (informative) Exempledeprocédure de mesure.21
Annexe C (informative) Méthode d'extrapolation pour les essais S sur 1.25
Annexe D (informative) Unitéset échelles de seuil d'endommagement causé par laser .26
Bibliographie .27
© ISO 2001 – Tous droits réservés iii
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ISO 11254-2:2001(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 étudealedroit de fairepartieducomité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en
liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec la Commission
électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 3.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour
vote. Leur publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités
membres votants.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments delaprésente partie de l’ISO 11254 peuvent faire
l’objet de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de
ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
La Norme internationale ISO 11254-2 a étéélaborée par le comité technique ISO/TC 172, Optique et instruments
d'optique, sous-comité SC 9, Systèmes électro-optiques.
L'ISO 11254 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Lasers et équipements associés aux
lasers — Détermination du seuil d'endommagement provoqué par laser sur les surfaces optiques:
� Partie 1: Essai 1 sur 1
� Partie 2: Essai S sur 1
Les annexes A àDdelaprésente partie de l’ISO 11254 sont données uniquement à titre d’information.
iv © ISO 2001 – Tous droits réservés
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ISO 11254-2:2001(F)
Introduction
Les rayonnements laser répétitifs peuvent détériorer et endommager des surfaces optiques à des niveaux
d'irradiation inférieurs à ceux mesurés pour des endommagements de simple exposition (ISO 11254-1). En plus
des mécanismes réversibles induits par les traitements thermiques et la distorsion, des mécanismes
d'endommagement irréversibles dus au vieillissement, microdommages et apparition ou déplacement de défauts
sont observés. La présente partie de l’SO 11254 concerne la détermination de l'endommagement irréversible des
surfaces optiques soumises à l'influence d'un faisceau laser pulsé répétitif.
Dans la présente partie de l’SO 11254, deux méthodes d'évaluation sont décrites pour la réduction des données
brutes de l'essai d'endommagement. La méthode de la courbe d'endommagement caractéristique est basée sur un
grand nombre de sites d'essai S sur 1 sur la surface optique de l'échantillon. La courbe d'endommagement
caractéristique comprend un jeu de trois graphiques indiquant les valeurs de densité d'énergie avec des valeurs de
probabilité d'endommagement de 10 %, 50 % et 90 % pour un nombre donné d'impulsions. La courbe
d'endommagement caractéristique représentelerésultat d'un essai complet et étendu d'un essai
d'endommagement dû au laser, et il est recommandé pour les investigations de base dans l'optique laser en cours
de développement ou critique.
La seconde méthode, méthode d'extrapolation, est conçue pour un nombre considérablement petit de sites d'essai.
Cette méthode engendre un diagramme de distribution des zones endommagées et non endommagées pour
considérer le seuil d'endommagement comme une fonction du nombre d'impulsions par site. Ce diagramme a une
traçabilité limitée et peut être utilisé pour un contrôle qualité de composants optiques pour laser, qui sont déjà
qualifiés par un essai complet d'endommagement, ou pour la préparation d'un essai d'endommagement étendu.
L'avancement actuel de la recherche dans l'endommagement et le vieillissement dus aux laser n'est pas suffisant
pour déterminer quantitativement une exactitude pour la durée de vie des composants optiques sous des conditions
d'essai données. Des essais réalistes d'endommagement lasers adaptés aux applications industrielles dépendant
9 11
d'un grand nombre d'impulsions (10 à 10 impulsions) et requièrent un coûtd'expérience disproportionné.La
présente norme montre cependant aussi une procédure pour une extrapolation du seuil S sur 1 à partir de la courbe
d'endommagement caractéristique pour estimer la duréedevieréelle d'un composant optique.
NOTE 1 La présente partie de l’SO 11254 est provisoirement limitée aux dommages irréversibles sur les surface optiques.
Les dommages dus au laser du cœur des composants optiques seront pris en compte lors de la révision de la norme.
NOTE 2 Il faut prendre conscience que le seuil d'endommagement dû au laser d'un composant optique soumis à un
rayonnement répété peut être affecté par un ensemble de différents mécanismes de dégradation tels que la contamination, le
traitement thermique, apparition ou déplacement de défauts et modifications de structure. Ces mécanismes sont influencés par
les paramètres de fonctionnement du laser, l'environnement et les conditions de montage du composant soumis à l'essai. Pour
ces raisons, il est nécessaire d'enregistrer tous les paramètres et de prendre conscience que le comportement de
l'endommagement peut varier dans des systèmes avec des conditions de fonctionnement altérées.
Avertissement pour la sécurité: L'extrapolation des données d'endommagement peut conduire à des résultats de
calcul erronéset à une surestimation du seuil d'endommagement. Cela peut, dans le cas des matériaux toxiques
(par exemple: ZnSe, GaAs, CdTe, ThF , chalcogénides, Be, Cr, Ni), conduire à de sérieux risques pour la santé.
4
Voir en annexe D pour des commentaires supplémentaires.
© ISO 2001 – Tous droits réservés v
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NORME INTERNATIONALE ISO 11254-2:2001(F)
Lasers et équipements associés aux lasers — Détermination du
seuil d'endommagement provoqué par laser sur les surfaces
optiques —
Partie 2:
Essai S sur 1
1 Domaine d’application
La présente partie de l’SO 11254 spécifie une méthode d'essai pour déterminer le seuil d'endommagement causé
par un rayonnement laser simple sur les surfaces optiques soumises à une succession d’impulsions laser.
2Références normatives
Les documents normatifs suivants contiennent des dispositions qui, par suite de la référence qui y est faite,
constituent des dispositions valables pour la présente partie de l’ISO 11254. Pour les références datées, les
amendements ultérieurs ou les révisions de ces publications ne s'appliquent pas. Toutefois, les parties prenantes
aux accords fondés sur la présente partie de l’ISO 11254 sont invitées à rechercher la possibilité d’appliquer les
éditions les plus récentes des documents normatifs indiqués ci-après. Pour les références non datées, la dernière
édition du document normatif en référence s'applique. Les membres de l’ISO etdelaCEI possèdent le registre des
Normes internationales en vigueur.
ISO 10110-7:1996, Optique et instruments d'optique — Indications sur les dessins pour éléments et systèmes
optiques — Partie 7: Tolérances d'imperfection de surface.
ISO 11145:1994, Optique et instruments d'optique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et
symboles.
3 Termes, définitions et symboles
3.1 Termes et définitions
Pour les besoins de la présente partie de l’SO 11254, les termes et définitions donnés dans l'ISO 11145 ainsi que
les suivants s'appliquent.
3.1.1
endommagement de surface
toute modification permanente des caractéristiques de surface d'un échantillon provoquée par un rayonnement
laser quelconque et observable par une technique décrite dans la présente partie de l’SO 11254
3.1.2
essai S sur 1
programme d'essai qui utilise une série d'impulsions avec une densité d'énergie constante sur chaque site non
exposé, avec un intervalle de temps cours et constant entre deux impulsions successives
© ISO 2001 – Tous droits réservés 1
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ISO 11254-2:2001(F)
NOTE La valeur de l'intervalle de temps entre les impulsions d'une série est donnée par l'inverse du taux de répétition des
impulsions de la source laser.
3.1.3
impulsion typique
impulsion de formes temporelle et spatiale, qui représente les propriétés moyennes des impulsions constituant les
séries d'impulsions
3.1.4
nombre minimal d'impulsions
nombre d'impulsions incidentes causant un endommagement de surface détectable
3.1.5
seuil
plus grande valeur quantité de rayonnement laser incident sur une surface optique, pour laquelle la probabilité
extrapolée d'endommagement est nulle. La quantité de rayonnement laser peut être exprimée en densité d'énergie
H , en densité de puissance E , ou en densité de puissance linéaire F ,dépendant le la duréed’impulsion
th th th
NOTE La densité de puissance maximale, E , d'une impulsion typique est donnée par:
max
H
max
(1)
E �
max
�
eff
3.1.6
plan cible
plan tangentiel à la surfacedel'échantillon, au point d'intersection de l'axe du faisceau laser avec la surface de
l'échantillon
3.1.7
surface effective
rapport de l'énergie des impulsions à la densité d'énergie maximale de l'impulsion typique, dans le plan cible
NOTE 1 Pour un profil spatial de faisceau perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau et pour les angles
d'incidence différents de 0 radian, le cosinus de l'angle d'incidence doit être inclus dans le calcul de la surface effective. Dans
ce cas, la surface effective est donnée par la formule suivante:
Q
(2)
A �
T,eff
H cos(� )
max
NOTE 2 Dans le cas spécial des profils de faisceau aplati rectangulaire avec un rayon d , la surface effective est donnée
100
par :
2
QH �d
max 100 2
(3)
Ad�� ��
T,eff 100
HH
max max
Pour un faisceau gaussien avec un rayon d , la surface effective est donnée par:
86,5
22
xy�
�8
��
2
d
2
86,5
8r
H e dxdy
max �
��
�
2
d
Q 1
2
���� 86,5
(4)
Ae�� � 2�rdr��d
T,eff 86,5
�
HH 8
max max
0
2 © ISO 2001 – Tous droits réservés
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ISO 11254-2:2001(F)
Avec la définition du second moment de la fonction de distribution de la densité d'énergie H(x, y, z)situé en z:
��2
2
rH(,r��)rdrd
��
(5)
2 00
� ()z �
��2
Hr(,��)rdrd
��
00
et la définition du rayon de faisceau d comme fonction du second moment
�
dz()� 2�(z) (6)
�
la surface effective peut être exprimée sous la forme suivante:
11
22 2
a) faisceau rectangulaire Ad�� � �d �2;�� d �d (7)
T,eff 100��100
44
11
22 2
b) faisceau gaussien Ad�� � �d ��� ;d �d (8)
T,eff 86,5��86,5
88
3.1.8
diamètre effectif du faisceau
deux fois la racine carréedelasurfaceeffectivedivisée par �:
A
T,eff
d � 2 (9)
T,eff
�
3.1.9
durée effective d'impulsion
rapport de l'énergie totale des impulsions à la puissance maximale des impulsions
3.1.10
courbe d'endommagement caractéristique
représentation du seuil d'endommagement dû au laser S sur 1 comme fonction d'un nombre d'impulsions par site,
à un taux de répétition des impulsions donné
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ISO 11254-2:2001(F)
3.2 Symboles et unitésdemesure
Tableau 1 — Symboles et unitésdemesure
Symbole Unité Dénomination
� nm longueur d'onde
� rad angle d'incidence
p degré de polarisation
N
nombre minimal d'impulsions provoquant un dommage
min
N
p nombre d'impulsions par site
N
nombre total de sites pour l'essai
Ts
d
mm diamètre du faisceau dans le plan cible
T
d
mm diamètre effectif du faisceau dans le plan cible
T,eff
2
A
cm surface effective dans le plan cible
T,eff
�
ns,µs, s dur ée d'impulsion
H
� ns,µs, s dur ée effective d'impulsion
eff
f
Hz taux de répétition des impulsions
p
Q J énergie des impulsions
P
W puissance de crête d'impulsion
pk
2
E
W/cm densité de puissance maximale
max
F 2
max W/cm densité de puissance linéaire maximale
2
H
J/cm densité d'énergie maximale
max
2
E
W/cm seuil de densité de puissance
th
F
W /cm seuil de densité de puissance linéaire
th
2
H
J/cm seuil de densité d'énergie
th
P
W puissance moyenne
av
4 Échantillonnage
On peut effectuer les essais soit sur un composant fonctionnel, soit sur un échantillon témoin. Dans ce dernier cas,
le matériau du substrat et le fini de surface de l'échantillon doivent être les mêmes que ceux du composant et le
traitement optique de l'échantillon doit être effectué par la même opération que celui du composant. Le numéro de
l'opération de traitement et la date correspondante doivent être marqués sur le composant soumis à l'essai.
5Méthode d'essai
5.1 Généralités
Pour déterminer le seuil d'endommagement S sur 1, des extensions de la mise en œuvre et de la procédure
d'évaluation pour les mesures du seuil d'endommagement 1 sur 1 (voir ISO 11254-1) sont nécessaires. Cependant,
la possibilité de mesure S sur 1 décrite dans la présente partie de l'ISO 11254 peut s'appliquer pour les mesures 1
sur 1 si le système de détection des dommages en ligne est combiné avec un microscope à contraste interférentiel
différentiel du type Nomarski. Il est recommandé que le système de détection des dommages en ligne ait la
possibilité d'interrompre les impulsions suivantes et de stopper le compteur d'impulsions.
5.2 Principe
Le principe d'un essai d'endommagement au laser S sur 1 est illustréà la Figure 1. L'émission d'un laser stable
bien caractérisé est réglée sur la valeur souhaitéed'énergie ou de puissance à l'aide d'un atténuateur variable, puis
dirigée sur un échantillon placé au foyer ou à proximité du foyer d'un système de focalisation.
4 © ISO 2001 – Tous droits réservés
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ISO 11254-2:2001(F)
Légende
1 Compartiment de l’échantillon 5 Lame d’onde
2Détecteur d’endommagement en ligne 6Atténuateur variable
3 Diagnostic du faisceau 7Système laser
4Système de focalisation
Figure 1 — Schéma de principe de l'essai d'endommagement au laser S sur 1
L'échantillon est monté dans un manipulateur servant à positionner les différents sites d'essai dans le faisceau et à
régler l'angle d'incidence. L'état de polarisation est régléà l'aide d'une plaque d'onde appropriée. Le faisceau laser
incident est échantillonné par un séparateur de faisceau qui envoie une partie de l'énergie vers une unité de
diagnostic. Cette unité de diagnostic facilite le contrôle et la déterminationdel'énergie, du profil spatial et de la
forme temporelle de l'impulsion typique.
L'échantillon est placé dans une position définie par rapport au faisceau laser, à un angle d'incidence spécifié.
Chaque site d'essai est exposéà des trains d'impulsions à densité d'énergie et taux de répétition constants.
Chaque essai est conduit sans déplacer l'échantillon et les essais successifs sont effectuésen déplaçant le point
d'essai sur l'échantillon avec une distance connue entre chaque site d'essai. Il est recommandé que la distance
entre chaque site d'essai soit plus grande que trois fois le diamètre du faisceau dans le plan cible d . Pendant les
T
séries d'essai, un nombre suffisant de sites d'essai doivent être testés à des densitésd'énergie différentes. La
détermination du seuil d'endommagement est basée sur la totalité des données, et non sur l'état d'endomma-
gement pour un site particulier.
Ce mode opératoire est applicable pour les essais de tous les types de systèmes laser indépendamment de la
durée d'impulsion et de la longueur d'onde. Les durées d'impulsion largement utilisées dans les applications
industrielles et scientifiques sont résumées et regroupées dans le Tableau 2.
Tableau 2 — Groupes de lasers
Groupe Durée d'impulsion
11ns à 3ns
210ns à 30 ns
31µs à 3µs
4 200µs à 1 000µs
5 à déterminer
Les classes de taux de répétition largement utilisées dans les applications scientifiques et industrielles sont
données dans le Tableau 3. Les lasers de ces classes sont recommandés pour les essais S sur 1. D'autres taux de
répétition d'impulsion que ceux spécifiés au Tableau 3 sont autorisés dans la présente partie de l’ISO 11254. Les
classes de taux de répétition d'impulsion sont permises en conjonction avec chaque groupe de laser possible. La
durée d'impulsion et le taux de répétition d'impulsion du laser d'essai doivent être consignés dans le rapport d'essai.
© ISO 2001 – Tous droits réservés 5
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ISO 11254-2:2001(F)
Tableau 3 — Classes de taux de répétition
Taux de répétition d'impulsion f
Classes
p
Hz
A1
B10
C30
D 100
E 300
F 1 000
G à déterminer
Les valeurs du seuil d'endommagement dû au laser dépendent des paramètres de fonctionnement du système
laser utilisé pour l'essai. Pour une comparaison des données de seuil sous des conditions de fonctionnement
légèrement différentes, des règles d'échelonnement basées sur la modélisation des données expérimentales
peuvent être utilisées. Les aspects de sécurité doivent être considérés pour l'application des règles
d'échelonnement aux matériaux dangereux.
5.3 Appareillage
L'installation d'essai consiste en parties individuelles avec des fonctions spécifiques.
5.3.1 Laser
Un laser délivrant des impulsions avec un profil spatial reproductible quasi gaussien ou quasi rectangulaire est
requis. Le profil temporel des impulsions est enregistré pendant la mesure. Des trains d'impulsions contenant des
impulsions ayant une densité d'énergie maximale excédant les variations de E du Tableau 4 doivent être
max
éliminés pour la procédure d'évaluation. Pour les différents groupes de laser, les variations maximales admissibles
des paramètres des impulsions sont résumés dans le tableau 4. Comme spécification minimale d'un système laser
du groupe 5, la variation coup par coup de la densité de puissance maximale doit être inférieure à � 20 %. Les
critères de stabilité pour les paramètres du faisceau doivent être déterminés et inscrits dans un bilan d'erreur.
Tableau 4 — Variation maximale des paramètres du laser et variation correspondante de densité de
puissance pulsée maximale E
max
Valeurs en pourcentage
Groupe Énergie Durée Surface Densité de
d'impulsion d'impulsion effective puissance
A E
Q �
T,eff max
H
� 5 � 10 � 10 � 15
1
� 5 � 5 � 6 � 10
2
3 � 5 � 5 � 6 � 10
4 � 5 � 5 � 6 � 10
5.3.2 Atténuateur variable et système d'apport du faisceau
L'émission laser doit être atténuée au niveau requis au moyen d'un atténuateur extérieur variable qui est sans
altération dans la transmission et les propriétés d'imagerie.
Le système d'apport du faisceau et l'atténuateur ne doivent pas affecter les propriétés du faisceau laser de façon
incohérente avec les tolérances données en 5.3.1. En particulier, l'état de polarisation du faisceau laser ne doit pas
être altéré par le système d'apport du faisceau.
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ISO 11254-2:2001(F)
5.3.3 Système de focalisation
Le montage du système de focalisation devrait être adapté aux exigences spéciales du système laser et au profil du
faisceau souhaité dans le plan cible. Le montage spécifique et les paramètres du système de focalisation doivent
être indiqués dans le rapport d'essai. Les spécifications de la surface effective et la densité d'énergie doivent être
rapportées à la position de la surface d'essai.
Pour les faisceaux gaussiens, il est recommandé de sélectionner une ouverture du système de focalisation qui ne
soit pas inférieure à 6fois lediamètre du faisceau à l'entréedusystème de focalisation. Une ouverture f effective
minimale de 50 et un rayon de faisceau de 0,4 mm dans le plan cible sont recommandés. Le plan cible doit être
situé au col du faisceau, ou à proximité,formé par le système de focalisation. Pour les groupes 3 à 5, le rayon du
faisceau peut être réduit en fonction de la densité de puissance nécessaire, mais pas à moins de 0,1 mm. Dans ce
cas, l'ouverture f effective peut être inférieure à 50.
Pour les faisceaux aplatis, il est recommandé de positionner la surface d'essai dans le plan image du système de
focalisation avec une distance focale supérieure à 0,2 m, qui forme une image d'une ouverture adéquate dans le
trajet optique.
Des effets de cohérence dans les échantillons ayant des surfaces parallèles peuvent apparaître et affecter les
mesures. Ces effets doivent être éliminés par des techniques appropriées telles que calage ou balancement de
l'échantillon. L'application d'un faisceau hautement convergent est aussi une méthode pratique pour éliminer les
effets de cohérence dans l'échantillon.
5.3.4 Porte-échantillon
La station d'essai doit être équipée d'un manipulateur permettant une localisation précise des sites d'essai sur
l'échantillon, avec une précision suffisante compte tenu de sa taille.
5.3.5 Détection des dommages
Une technique microscopique doit être utilisée pour vérifier la surface avant et après l'essai. Les recherches doivent
être faites avec un microscope à lumière incidente ayant un contraste interférentiel différentiel du type Nomarski. Le
grossissement utilisé doit être de � 100 à � 150.
NOTE 1 Pour les vérifications usuelles et une mesure objective du dommage laser, un analyseur d'image peut être attaché
au microscope.
Un système de détection d'endommagement approprié en ligne peut être installé pour évaluer l'état de la surface
soumise à l'essai. Aprèsdétection du dommage, le nombre minimal d'impulsions N doit être enregistré,etla
min
mesure pour le site suivant doit être entreprise.
NOTE 2 Pour les essais d'endommagement S sur 1, la limite de détection du moniteur d'endommagement n'est pas critique
en raison des accumulations des mécanismes de surface. Pour la détection en ligne, toute technique appropriée peut être
utilisée. Les techniques adaptées à ce sujet sont par exemple les techniques microscopiques en ligne, la détection photo-
acoustique ou photothermique, aussi bien que les mesures de diffusion utilisant un laser séparé ou le rayonnement provenant
du laser générant les dommages.
© ISO 2001 – Tous droits réservés 7
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ISO 11254-2:2001(F)
Légende
1 Laser 4Détecteur
2Système de préparation du faisceau 5 Ouverture négative
3 Faisceau d’essai 6 Échantillon soumis à l’essai
Figure 2 — Aménagement type pour un système de mesure de diffusion en ligne
NOTE 3 Par exemple, le mesurage de radiation diffusée par la surface optique peut être utilisée pour la détection
d'endommagement. Un montage classique pour les mesurages de diffusion en ligne est décrit à la Figure 2. Un laser avec une
excellente stabilité de pointage et des fluctuations d'intensité minimales est utilisé comme source de rayonnement. le rayon
laser est affiné par un système de préparation du faisceau qui est généralement constitué d'un système télescopique avec
ouvertures, de filtres spéciaux et de composants optiques pour moduler la densité de puissance du laser. Aprèslapréparation
du faisceau, le faisceau laser est focalisé surunsiteréel de l'échantillon soumis à l'essai d'endommagement. Le rayonnement
diffusé est concentré par une lentille et détecté par un photodétecteur. La partie du faisceau laser réfléchie par la surface de
l'échantillon est coupée par une ouverture négative. Pour obtenir une haute sensibilité et une faible interférence avec d'autres
sources de lumière dans l'environnement du montage, des techniques de détection sensitives de phase et un filtre
d'interférence pour la longueur d'onde du laser sont recommandés.
5.3.6 Diagnostic du faisceau
5.3.6.1 Énergie et puissance totale des impulsions
L'unité diagnostique doit être équipéed'undétecteur étalonné pour mesurer l'énergie des impulsions reçue sur le
plan cible pour chaque impulsion individuelle. Cet instrument doit être raccordable à u
...
Questions, Comments and Discussion
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