ISO 11254-3:2006

Lasers and laser-related equipment — Determination of laser-induced damage threshold of optical surfaces — Part 3: Assurance of laser power (energy) handling capabilities

ISO 11254-3:2006 describes a test procedure for assurance of power density (energy density) handling capability of optical surfaces, both coated and uncoated. ISO 11254-3:2006 specifies this procedure by providing two test methods for assurance of the power density (energy density) handling capability of optical surfaces. The first method provides a rigorous test that fulfils requirements at a specified confidence level in the knowledge of potential defects. The second method provides a simple test for an empirically derived test level, allowing an inexpensive test.

Lasers et équipements associés aux lasers — Détermination du seuil d'endommagement provoqué par laser sur les surfaces optiques — Partie 3: Vérification de la capacité à supporter la puissance (l'énergie) laser

L'ISO 11254-3:2006 décrit un mode opératoire d'essai permettant de vérifier la capacité des surfaces optiques, triatées ou non traitées, à supporter la densité de puissance (la densité d'énergie). L'ISO 11254-3:2006 spécifie un mode opératoire en présentant deux méthodes d'essai permettant de vérifier la capacité des surfaces optiques à supporter la densité de puissance (la densité d'énergie). La première méthode présente un essai rigoureux satisfaisant aux exigences à un niveau de confiance spécifié en matière de connaissance des défauts potentiels. La seconde méthode est un essai simplifié de niveau d'essai dérivé de façon empirique, donc peu coûteux.

General Information

• Status: Withdrawn
• Publication Date: 24-Aug-2006
• Withdrawal Date: 24-Aug-2006
• 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: 9599 - Withdrawal of International Standard
• Completion Date: 14-Jul-2011

Relations

• Revised: ISO 21254-3:2011 - Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold — Part 3: Assurance of laser power (energy) handling capabilities
• Effective Date: 15-Apr-2008
• Consolidates: ISO 31-6:1980 - Quantities and units of light and related electromagnetic radiations
• Effective Date: 06-Jun-2022

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 11254-3
First edition
2006-09-01

Lasers and laser-related equipment —
Determination of laser-induced damage
threshold of optical surfaces —
Part 3:
Assurance of laser power (energy)
handling capabilities
Lasers et équipements associés aux lasers — Détermination du seuil
d'endommagement provoqué par laser sur les surfaces optiques —
Partie 3: Vérification de la capacité à supporter la puissance (l'énergie)
laser




Reference number
ISO 11254-3:2006(E)
©
ISO 2006

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ISO 11254-3:2006(E)
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Published in Switzerland

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ISO 11254-3:2006(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions. 2
4 Symbols and units of measurement. 3
5 Sampling. 3
6 Test method. 4
6.1 Principle. 4
6.2 Apparatus . 4
6.3 Preparation of test specimens . 6
6.4 Test procedures . 6
7 Accuracy. 9
8 Test report . 9
Annex A (informative) Test report example. 12
Annex B (informative) Usage notes. 16
Annex C (informative) Details of the derivation of the operating characteristic curve. 19
Bibliography . 22

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ISO 11254-3:2006(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 11254-3 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee SC 9,
Electro-optical systems.
ISO 11254 consists of the following parts, under the general title Lasers and laser-related equipment —
Determination of laser-induced damage threshold of optical surfaces:
⎯ Part 1: 1-on-1 test
⎯ Part 2: S-on-1 test
⎯ Part 3: Assurance of laser power (energy) handling capabilities
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ISO 11254-3:2006(E)
Introduction
Optical components can be damaged by laser irradiation of sufficiently high energy or power density. At any
specified laser irradiation level the probability of laser damage is usually higher for the surface of a component
than for its bulk. Thus the limiting value of an optical component is usually given by the damage threshold of
its surface.
This document provides a test procedure for obtaining consistent measurement results, which may be used
for acceptance tests or may be compared between different testing laboratories.
This testing procedure is applicable to all combinations of different laser wavelength and pulse length
durations. Comparison of laser damage threshold data may be misleading unless the measurements have
been taken at identical wavelengths and pulse lengths.

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INTERNATIONAL STANDARD ISO 11254-3:2006(E)

Lasers and laser-related equipment — Determination of
laser-induced damage threshold of optical surfaces —
Part 3:
Assurance of laser power (energy) handling capabilities
SAFETY PRECAUTIONS — Some laser and optical components are made of materials which are toxic
if vaporized (e.g. ZnSe, GaAs, CdTe, ThF , chalcogenides, Be, Cr, Ni). Due care shall be taken not to
4
damage these materials without taking suitable safety precautions.
1 Scope
This part of ISO 11254 describes a test procedure for assurance of power density (energy density) handling
capability of optical surfaces, both coated and uncoated.
This part of ISO 11254 specifies this procedure by providing two test methods for assurance of the power
density (energy density) handling capability of optical surfaces.
The first method provides a rigorous test that fulfils requirements at a specified confidence level in the
knowledge of potential defects.
The second method provides a simple test for an empirically derived test level, allowing an inexpensive test.
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 10110-7:1996, Optics and optical instruments — Preparation of drawings for optical elements and
systems — Part 7: Surface imperfection tolerances
ISO 11145, Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and symbols
© ISO 2006 – All rights reserved 1

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ISO 11254-3:2006(E)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 11145 and the following apply.
3.1
surface damage
any permanent laser radiation-induced change of the surface characteristics of the specimen, which can be
observed by an inspection technique described in this part of ISO 11254
3.2
1-on-1 test
test programme that uses one shot of laser radiation on each unexposed site on the specimen surface
3.3
S-on-1 test
test programme that uses S shots on each unexposed site on the specimen surface
3.4
target plane
plane tangential to the surface of the specimen at the point of intersection of the test laser beam propagation
axis with the surface of the specimen
3.5
effective pulse duration
τ
eff
ratio of total pulse energy to peak pulse power
3.6
assurance level
φ
energy density/power density/linear power density of the laser radiation incident on the optical surface at
which the component is tested
3.7
assurance area
A
φ
area over which the value of the energy density H(x,y,z) is equal to or greater than the assurance level, φ
3.8
confidence level
γ
complement of the probability of successful completion of the assurance test
3.9
effective beam diameter
twice the square root of the assurance spot area divided by pi (π)
See Table 1 for symbols and units.
P
d = 2 (1)
φ,eff
πE
max
3.10
flat-top beam
beam that has a broad area of nearly constant peak intensity (or fluence)
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ISO 11254-3:2006(E)
4 Symbols and units of measurement
Table 1 — Symbols and units of measurement
Symbol Unit Term
λ nm wavelength
α rad angle of incidence
p 1 degree of polarization
τ ns, µs, ms, s pulse duration
H
τ ns, µs, s effective pulse duration
eff
Q J pulse energy
P W peak pulse power
pk
P W power
2
H J/cm maximum energy density
max
2
E W/cm maximum power density
max
F W/cm maximum linear power density
max
d mm separation of test sites
sep
γ 1 confidence level
R 1 risk of false assurance
f 1 fraction of test area to be exposed
test
N 1 number of damage initiation sites
d
2 2
φ J/cm , W/cm , W/cm assurance level
2
A cm assurance area
φ
2
A cm area to be tested
test
N 1 number of sites in tested area to be interrogated
TS
Ω 1 horizontal overlap
x
Ω 1 vertical overlap
y
5 Sampling
This part of ISO 11254 provides a procedure that will give a high level of confidence to the power density
(energy density) handling capability of the component tested.
It may be used in a wide variety of applications, including: non-destructive inspection, witness sampling, lot
sampling and sub-aperture inspection. The level of confidence that the component does not contain a defect
with a lower damage threshold than the acceptable irradiation strength, increases with the percentage fraction
of the area tested. These confidence levels are discussed in Annexes B and C.
Discussion between the testing house and the user/component manufacturer shall be held to define the
confidence level required and number of shots per site (1-on-1 or S-on-1 testing) and the pulse repetition
frequency at which the tests are taken.
This will define such parameters as the acceptable irradiation spot area, A , the spot site separation, d , and
φ sep
the total number of sites, N , to be irradiated.
TS
© ISO 2006 – All rights reserved 3

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ISO 11254-3:2006(E)
6 Test method
6.1 Principle
This test irradiates sampled test sites on the specimen surface at an agreed or specified irradiation strength,
irradiating in sequence, a fraction of the specimen area and verifying that no damage is observable. Enough
samples (test sites) of the optical surface under test shall be irradiated so that a given confidence level can be
established. See Figure 1.
Since the observation of any damage during a test constitutes failure, this test can be non-destructive for
acceptable parts.
Microscopic examination of the testing site before and after irradiation is used to detect damage.
This procedure is applicable to testing with all laser systems. The polarization state is set with an appropriate
waveplate.
The fluence handling ability of an optical surface under irradiation by short pulsed lasers is usually expressed
in units of energy density (joules per square centimetre).
The power handling ability of an optical surface under irradiation by quasi-continuous wave (cw) or cw-lasers
is usually expressed in units of linear power density (watts per centimetre). Power density refers to the
average power per unit area during the irradiation time. The proper units and physical parameter for scaling
results for quasi-cw and cw-lasers is the linear power density expressed in watts per centimetre.

Key
1 sample in compartment 5 waveplate
2 online damage detector 6 variable attenuator
3 beam diagnostic 7 laser system
4 focusing system
Figure 1 — Basic approach to laser damage testing
6.2 Apparatus
6.2.1 Laser system
A laser system delivering laser radiation with a reproducible near flat-top spatial profile is required. The
temporal profile of the pulses is monitored during the measurement. For the different laser groups, the
maximum permissible variations of the pulse parameters are compiled in Table 2. Stability criteria for the
beam parameters, and therefore the incident energy density of the laser, shall be determined and documented
in an error budget and included with the test report as shown in Annex A.
References for the production of a flat-top beam and laser damage scaling are contained in the Bibliography.
4 © ISO 2006 – All rights reserved

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ISO 11254-3:2006(E)
Table 2 — Maximum variation of laser system parameters and corresponding percentage variation
of the assurance pulse power density
Laser type Pulse energy Average power Pulse duration Assurance area Power density
Q P τ A E
av H φ max
pulsed ± 5 – ± 10 ± 10 ± 15
cw — ± 5 — ± 6 ± 20
NOTE Variations are tabulated in percent.
6.2.2 Variable attenuator and beam delivery system
The laser output shall be attenuated to the required level with an external variable attenuator free of drifts in
transmissivity and imaging properties.
The beam delivery system and the attenuator shall not affect the properties of the laser beam in a manner
inconsistent with the tolerances given in 6.2.1. The polarization state of the laser beam shall not be altered by
the beam delivery system.
6.2.3 Focusing system
The focusing system shall deliver a flat top energy distribution along a section of the beam. The beam shall
have a central peak region where the local fluence or power density for pulsed lasers or linear power density
for cw lasers varies less than the values given in Table 3.
Table 3 — Maximum variations in central peak regions
Maximum variation (peak to valley) over the central peak region expressed
Laser type
as a percentage of the maximum value
pulsed
± 11 %
cw ± 14 %
Coherence effects in specimens with parallel surfaces may 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 a method for removing coherence effects in the specimen.
6.2.4 Specimen holder
The test station shall be equipped with a manipulator for a precise placement of the test sites on the specimen
with precision sufficient for the specimen size.
6.2.5 Damage detection
A microscope technique shall be used to inspect the surface before and after the test. The inspection 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. For routine inspection and objective
measurement of laser damage, an image analyser may be attached to the microscope.
An appropriate online damage detection system may be installed to evaluate the state of the surface under
test. For online detection, any appropriate technique may be used. Techniques suited to this purpose are
online microscopic techniques in conjunction with image analysers, photoacoustic and photothermal detection,
and scatter measurements using a separate laser or radiation from the damaging laser. A typical set-up for an
online scatter measurement system is described in ISO 11254-2.
© ISO 2006 – All rights reserved 5

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ISO 11254-3:2006(E)
6.2.6 Beam diagnostics
6.2.6.1 Total pulse energy and power
The diagnostic package shall be equipped with a calibrated detector to measure the pulse energy or beam
power delivered to the target plane. This instrument shall be traceable to a national standard with an absolute
uncertainty of ± 5 % or better.
6.2.6.2 Temporal profile
The diagnostic package shall include suitable instrumentation for analysing the temporal profile of the laser to
determine the pulse duration.
6.2.6.3 Spatial profile
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 to the
requirements stated in Table 2.
6.3 Preparation of test specimens
Wavelength, angle of incidence and degree of polarization of the laser radiation used in the test shall be in
accordance with the specifications by the manufacturer for normal use. If ranges are given for the values of
these parameters, an arbitrary combination of wavelength, angle of incidence and polarization within these
ranges may be used.
Storage, cleaning and preparation of the specimens shall be according to the specifications provided by the
manufacturer for normal use.
In the absence of manufacturer specified instructions, the following procedure shall be used.
The specimen shall be stored at less than 50 % RH for 24 h prior to testing. The specimen shall be handled by
the non-optical surfaces only. Before testing, a microscopic evaluation of surface quality and cleanliness in
accordance with ISO 10110-7 shall be made using a Nomarski/darkfield microscope at 150 × magnification or
higher.
If contaminants are seen on the specimen, the surface shall be cleaned. The cleaning procedure shall be
documented. If the contaminants are not removable they shall be documented by photographic and/or
electronic means before testing. The test site shall be inspected for dust particles during irradiation. The test
environment shall be clean filtered air of less than 50 % RH and shall be documented.
The testing-sites shall be arranged in a well defined and reproducible arrangement. The test grid shall be
referred to fixed reference points on the specimen.
6.4 Test procedures
6.4.1 General
In tests that sample the ability of an optic to withstand laser irradiation, it is possible to define two types of test.
The first, a Type 1 test, allows the determination of a confidence level that permits no more than a certain
number of defects to exist within a tested area. The Type 1 test is discussed in 6.4.2.
The second, a Type 2 test, is designed, usually empirically, to be used on a specific optic for a specific use.
Such tests are used to provide a cost effective screen in a high rate industrial environment. It should be noted
that such empirically derived tests were the first widely used laser
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 11254-3
Première édition
2006-09-01

Lasers et équipements associés aux
lasers — Détermination du seuil
d'endommagement provoqué par laser
sur les surfaces optiques —
Partie 3:
Vérification de la capacité à supporter la
puissance (l'énergie) laser
Lasers and laser-related equipment — Determination of laser-induced
damage threshold of optical surfaces —
Part 3: Assurance of laser power (energy) handling capabilities




Numéro de référence
ISO 11254-3:2006(F)
©
ISO 2006

---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 11254-3:2006(F)
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Publié en Suisse

ii © ISO 2006 – Tous droits réservés

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ISO 11254-3:2006(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions. 2
4 Symboles et unités de mesure . 3
5 Échantillonnage . 3
6 Méthode d'essai . 4
6.1 Principe. 4
6.2 Appareillage . 4
6.3 Préparation des échantillons d'essai . 6
6.4 Modes opératoires d'essai. 6
7 Exactitude. 9
8 Rapport d'essai . 9
Annexe A (informative) Exemple de rapport d'essai . 12
Annexe B (informative) Notes d'utilisation . 16
Annexe C (informative) Détails de la dérivation de la courbe de caractéristiques
de fonctionnement. 19
Bibliographie . 22

© ISO 2006 – Tous droits réservés iii

---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 11254-3:2006(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 11254-3 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, 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
⎯ Partie 3: Vérification de la capacité à supporter la puissance (l'énergie) laser

iv © ISO 2006 – Tous droits réservés

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ISO 11254-3:2006(F)
Introduction
Les rayonnements laser ayant une densité d'énergie ou de puissance relativement élevée peuvent
endommager les composants optiques. À un certain niveau d'exposition au rayonnement laser, la probabilité
d'endommagement est habituellement plus élevée pour la surface que pour la masse des composants. Le
seuil d'endommagement d'un composant optique est donc habituellement assimilé à celui de sa surface.
Le présent document fournit un mode opératoire d'essai permettant d'obtenir des résultats de mesure
cohérents, exploitables pour les essais de réception ou comparables à ceux d'autres laboratoires d'essai.
Ce mode opératoire d'essai s'applique à toutes les combinaisons de longueur d'onde et de durées d'impulsion.
La comparaison des seuils d'endommagement provoqué par laser peut être trompeuse sauf si les mesurages
ont été effectués sur des longueurs d'onde et des durées d'impulsion identiques.

© ISO 2006 – Tous droits réservés v

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NORME INTERNATIONALE ISO 11254-3:2006(F)

Lasers et équipements associés aux lasers — Détermination du
seuil d'endommagement provoqué par laser sur les surfaces
optiques —
Partie 3:
Vérification de la capacité à supporter la puissance (l'énergie)
laser
AVERTISSEMENT — Certains lasers et certains composants optiques sont réalisés à partir de
matériaux qui sont toxiques lorsqu'ils sont vaporisés (par exemple ZnSe, GaAs, CdTe, ThF , les
4
chalcogénures, Be, Cr, Ni). Veiller à prendre les précautions de sécurité afin de ne pas endommager
ces matériaux.
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 11254 décrit un mode opératoire d'essai permettant de vérifier la capacité des
surfaces optiques, traitées ou non traitées, à supporter la densité de puissance (la densité d'énergie).
La présente partie de l'ISO 11254 spécifie un mode opératoire en présentant deux méthodes d'essai
permettant de vérifier la capacité des surfaces optiques à supporter la densité de puissance (la densité
d'énergie).
La première méthode présente un essai rigoureux satisfaisant aux exigences à un niveau de confiance
spécifié en matière de connaissance des défauts potentiels.
La seconde méthode est un essai simplifié de niveau d'essai dérivé de façon empirique, donc peu coûteux.
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 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, Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et symboles
© ISO 2006 – Tous droits réservés 1

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ISO 11254-3:2006(F)
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 11145 ainsi que les
suivants s'appliquent.
3.1
endommagement de surface
toute modification permanente des caractéristiques de surface d'un échantillon, provoquée par un
rayonnement laser quelconque et pouvant être observée selon une technique de contrôle décrite dans la
présente partie de l'ISO 11254
3.2
essai 1 sur 1
programme d'essai qui utilise une irradiation simple de chaque emplacement non exposé de la surface de
l'échantillon
3.3
essai S sur 1
programme d'essai qui utilise des irradiations multiples, S, de chaque emplacement non exposé de la surface
de l'échantillon
3.4
plan cible
plan tangentiel à la surface de l'échantillon, au point d'intersection de l'axe de propagation du faisceau laser et
de la surface de l'échantillon
3.5
durée effective d'impulsion
τ
eff
rapport de l'énergie totale des impulsions à la puissance de crête de ces impulsions
3.6
niveau de vérification
φ
densité d'énergie/densité de puissance/densité de puissance linéaire d'un rayonnement laser incident à la
surface optique utilisée pour les essais du composant
3.7
surface de vérification
A
φ
aire sur laquelle la valeur de la densité d'énergie H(x,y,z) est égale ou supérieure au niveau d'épreuve, φ
3.8
niveau de confiance
γ
complément de la probabilité d'une réalisation satisfaisante de l'essai de vérification
3.9
diamètre effectif du faisceau
deux fois la racine carrée de la surface de l'irradiation de vérification divisée par pi (π)
Voir Tableau 1 pour les symboles et les unités.
P
d = 2 (1)
φ,eff
πE
max
3.10
faisceau rectangulaire
faisceau ayant une large surface d'une intensité de crête (ou fluence) quasiment constante
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ISO 11254-3:2006(F)
4 Symboles et unités de mesure
Tableau 1 — Symboles et unités de mesure
Symbole Unité Terme
λ nm longueur d'onde
α rad angle d'incidence
p 1 degré de polarisation
τ ns, µs, ms, s durée d'impulsion
H
τ ns, µs, s durée effective d'impulsion
eff
Q J énergie des impulsions
P W puissance de crête d'impulsion
pk
P W puissance
2
H J/cm densité d'énergie maximale
max
2
E W/cm densité de puissance maximale
max
densité de puissance linéaire
F W/cm
max
maximale
d mm espacement des sites d'essai
sep
γ 1 niveau de confiance
R 1 risque de vérification erronée
f 1 fraction de la surface d'essai à exposer
essai
nombre de sites générant un
N 1
d
endommagement
2 2
φ J/cm , W/cm , W/cm niveau d'épreuve
2
A cm surface d'épreuve
φ
2
A cm surface à soumettre à essai
essai
nombre de sites examinés sur la
N 1
TS
surface d'essai
Ω 1 chevauchement horizontal
x
Ω 1 chevauchement vertical
y
5 Échantillonnage
La présente partie de l'ISO 11254 présente un mode opératoire assurant un niveau de confiance élevé
concernant la capacité de traitement du composant soumis à essai par la densité de puissance (la densité
d'énergie).
Elle peut être utilisée pour de multiples applications, y compris: contrôle non destructif, échantillonnage
témoin, échantillonnage par lots et contrôle de surfaces d'essai. Le niveau de confiance de l'absence de
défaut d'un composant ayant un seuil d'endommagement inférieur à la résistance à l'irradiation acceptable,
augmente en proportion du pourcentage de fraction de surface soumise à essai. Ces niveaux de confiance
sont étudiés dans les Annexes B et C.
Les laboratoires d'essai et l'utilisateur/le fabricant des composants doivent procéder à des échanges de vues
afin de définir le niveau de confiance requis, ainsi que le nombre d'irradiations par site (essai 1 sur 1 ou
essai S sur 1) et la fréquence de répétition des impulsions lors des essais.
Cela permettra de définir des paramètres tels que la surface de la tache d'irradiation acceptable, A ,
φ
l'espacement des sites d'irradiation, d , et le nombre total de sites à irradier N .
sep TS
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6 Méthode d'essai
6.1 Principe
Le présent essai consiste à irradier des sites d'essai échantillonnés à la surface de l'échantillon, la contrainte
à l'irradiation étant convenue ou spécifiée, en irradiant à la suite une fraction de la surface de l'échantillon et
en vérifiant l'absence de dommage. Une quantité suffisante d'échantillons (sites d'essai) doit être irradiée de
la surface optique soumise à essai pour pouvoir établir un niveau de confiance donné. Voir Figure 1.
Tout dommage observé au cours d'un essai constitue une défaillance, cet essai peut être non destructif pour
les éléments acceptables.
L'examen au microscope du site d'essai avant et après irradiation sert à déceler les dommages.
Le présent mode opératoire est applicable aux essais de tous les systèmes laser. L'état de polarisation est
réglé à l'aide d'une lame d'onde appropriée.
La capacité de tenue au flux d'une surface optique irradiée par des lasers à impulsions courtes est
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généralement exprimée en unités de densité d'énergie (J/cm ).
La capacité de tenue à la puissance d'une surface optique soumise à l'irradiation de lasers à ondes quasi
continues ou continues est généralement exprimée en unité de densité de puissance linéaire (W/cm). La
densité de puissance renvoie à la puissance moyenne par surface unitaire pendant la durée de l'irradiation.
Bien que ces unités soient couramment utilisées, les unités et le paramètre physique corrects permettant
d'établir les échelles des résultats pour les lasers à ondes quasi-continues et continues sont la densité de
puissance linéaire, exprimée en W/cm.

Légende
1 compartiment de l'échantillon 5 lame d'onde
2 détecteur d'endommagement en ligne 6 atténuateur variable
3 diagnostic du faisceau 7 système laser
4 système de focalisation
Figure 1 — Approche de base pour un essai des dommages laser
6.2 Appareillage
6.2.1 Système laser
Il est nécessaire d'utiliser un système laser émettant un rayonnement laser ayant un profil spatial quasi
rectangulaire reproductible. Le profil temporel des impulsions est enregistré pendant le mesurage. Pour les
différents groupes de lasers, les variations maximales admissibles des paramètres des impulsions sont
récapitulées dans le Tableau 2. Les critères de stabilité des paramètres du faisceau et par conséquent la
densité d'énergie incidente du laser doivent être déterminés et inscrits dans un bilan d'erreur et doivent figurer
dans le rapport d'essai présenté dans l'Annexe A.
Les références pour la production d'un faisceau rectangulaire ainsi que les échelles des dommages par laser
sont données dans la Bibliographie.
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Tableau 2 — Variation maximale des paramètres du système laser et variation correspondante
de la densité de puissance d'impulsion de vérification
Type Énergie Puissance Durée Surface Densité de
de laser d'impulsion moyenne d'impulsion d'épreuve puissance

Q P τ A E

av H φ max
impulsionnel —
± 5 ± 10 ± 10 ± 15
continu — ± 5 — ± 6 ± 20
NOTE Les variations sont indiquées en pourcentage.

6.2.2 Atténuateur variable et système d'émission du faisceau
L'émission laser doit être atténuée au niveau requis au moyen d'un atténuateur extérieur variable n'altérant ni
la transmission ni les propriétés d'imagerie.
Le système d'émission du faisceau et l'atténuateur ne doivent pas affecter les propriétés du faisceau laser de
façon incompatible avec les tolérances données en 6.2.1. En particulier, l'état de polarisation du faisceau
laser ne doit pas être altéré par le système d'émission du faisceau.
6.2.3 Système de focalisation
Le système de focalisation doit émettre une distribution rectangulaire de l'énergie dans le faisceau. Le
faisceau doit avoir une zone de pic centrale dans laquelle la fluence locale ou la densité de puissance des
lasers impulsionnels ou la densité de puissance linéaire des lasers continus varie moins que les valeurs
données dans le Tableau 3.
Tableau 3 — Variations maximales dans les zones de pic centrales
Variation maximale (pic-vallée) dans la zone de pic centrale,
Type de laser
exprimée en pourcentage de la valeur maximale
impulsionnel ± 11 %
continu ± 14 %

Des effets de cohérence dans les échantillons à surfaces parallèles peuvent apparaître et affecter les
mesurages. Ces effets doivent être éliminés selon des techniques appropriées, telles que calage ou
balancement de l'échantillon. L'application d'un faisceau hautement convergent est également une méthode
qui peut être appliquée pour éliminer les effets de cohérence dans l'échantillon.
6.2.4 Porte-éprouvette
La station d'essai doit être équipée d'un manipulateur permettant une localisation précise des sites d'essai sur
l'échantillon, avec une précision suffisante compte tenu de sa taille.
6.2.5 Détection des dommages
Une technique microscopique doit être utilisée pour inspecter la surface avant et après l'essai. La vérification
doit être faite avec un microscope à lumière incidente ayant un contraste interférentiel différentiel du type
Nomarski. Le grossissement utilisé doit se situer dans la plage comprise entre ×100 et ×150. Pour les
vérifications usuelles et le mesurage objectif du dommage laser, un analyseur d'image peut être fixé sur le
microscope.
Un système de détection d'endommagement approprié en ligne peut être installé pour évaluer l'état de la
surface soumise à essai. Pour la détection en ligne, toute technique appropriée peut être utilisée. Les
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techniques adaptées à ce sujet sont, par exemple, les techniques microscopiques associées à des analyseurs
d'image, la détection photo-acoustique ou photo thermique, aussi bien que les mesurages de diffusion à l'aide
d'un laser distinct ou du rayonnement du laser générant les dommages. Une configuration type du système
de mesure de diffusion en ligne est décrite dans l'ISO 11254-2.
6.2.6 Diagnostics du faisceau
6.2.6.1 Énergie ou puissance totale des impulsions
L'unité diagnostic doit être équipée d'un détecteur étalonné pour mesurer l'énergie des impulsions ou la
puissance du faisceau reçue sur le plan cible. Cet instrument doit être raccordable à un étalon national avec
une incertitude absolue de ± 5 % ou mieux.
6.2.6.2 Profil temporel
L'unité diagnostic doit être équipée d'un appareillage permettant d'analyser le profil temporel du laser en vue
de déterminer la durée d'impulsion.
6.2.6.3 Profil spatial
Dans tous les cas, le profil spatial doit être analysé dans le plan cible ou dans un plan équivalent. L'unité
diagnostic doit être équipée d'un appareillage permettant de mesurer le profil spatial bidimensionnel avec une
résolution spatiale conforme aux exigences figurant dans le Tableau 2.
6.3 Préparation des échantillons d'essai
La longueur d'onde, l'angle d'incidence et la polarisation du rayonnement laser utilisé lors de l'essai doivent
être conformes aux spécifications du fabricant pour une utilisation normale. Si les valeurs de ces paramètres
sont données sous forme de plages, toute combinaison arbitraire de longueur d'onde, d'angle d'incidence et
de polarisation peut être utilisée dans les limites de ces plages.
Le stockage, le nettoyage et la préparation des échantillons sont selon les spécifications données par le
fabricant pour une utilisation normale.
En l'absence d'instructions spécifiques du fabricant, le mode opératoire suivant doit être mis en œuvre.
L'échantillon doit être stocké pendant les 24 h précédant l'essai à moins de 50 % d'humidité relative.
L'échantillon doit être manipulé par les surfaces non optiques seulement. Avant l'essai, une évaluation de la
qualité et de la propreté de la surface conformément à l'ISO 10110-7 doit être effectuée à l'aide d'un
microscope Nomarski/darkfield à fond noir, sous un grossissement ×150 ou plus.
En cas de contamination de l'échantillon, sa surface doit être nettoyée. La méthode de nettoyage doit être
indiquée dans la documentation. Si la contamination ne peut pas être éliminée, elle doit être enregistrée par
des moyens photographiques et/ou électroniques avant l'essai. Aucune particule de poussière ne doit être
constatée sur le site d'essai pendant l'irradiation. L'environnement d'essai, qui doit être de l'air filtré propre
présentant moins de 50 % d'humidité relative, doit être indiqué dans la documentation.
Les sites d'essai doivent être disposés d'une manière bien définie et reproductible. Le quadrillage d'essai doit
être rapporté à des points de référence fixes sur l'échantillon.
6.4 Modes opératoires d'essai
6.4.1 Généralités
Pour les essais destinés à déterminer l'aptitude d'un système optique à supporter le rayonnement laser, il est
possible de définir deux types d'essais.
Le premier, ou essai de Type 1, permet de déterminer un niveau de confiance pour lequel il existe un nombre
maximal de défauts sur la surface soumise à essai. L'essai de Type 1 est traité en 6.4.2.
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Le second, ou essai de Type 2, est conçu, généralement de manière empirique, pour permettre d'effectuer un
essai sur une optique spécifique destiné à une utilisation spécifique. Ces essais servent à fournir un moyen
de tri ayant un bon rapport qualité/prix dans un environnement fortement industrialisé. Il convient de noter que
ces essais, dérivés de manière empirique, ont été les premiers essais courants d'endommagement par laser
appliqués à des systèmes de production. Les critères qui doivent être spécifiés pour définir un essai de
Type 2 sont indiqués en 6.4.3.
6.4.2 Mode opératoire de Type 1
a) En fonction de l'application, choisir le niveau de vérification, φ, le niveau de confiance, γ, et le nombre de
défauts N par échantillon. (Cela incombe généralement à l'utilisateur.)
d
b) Utiliser la Figure 2 pour déterminer la fraction de surface soumise à essai, A , qui doit être exposée,
essai
f .
essai
c) Déterminer A (par le biais d'un mesurage) à partir du profil de la densité de puissance ou d'énergie du
φ
faisceau irradiant dans le plan cible.
d) Déterminer le nombre d'examens, N , auxquels il faut procéder pour exposer f de la surface
TS essai
soumise à essai. N = (A × f )/A .
TS essai essai φ
e) Déterminer l'espacement, d , entre les sites d'essai pour les réseaux fermés hexagonaux et les réseaux
sep
carrés.
2A
essai
d = pour les réseaux fermés hexagonaux
sep
N 3
TS
A
essai
pour les réseaux carrés (2)
N
TS
f) Calculer le chevauchement, Ω
x
H(x,y)⋅−H(x d ,y) dxdy
sep
∫∫
Ω = (3)
x
2
Hd(x,y)xdy
∫∫
Il peut ne pas être possible de procéder dans tous les cas à un essai de vérification non conditionné,
c'est-à-dire Ω ou Ω  1. Noter également que, si H(x,y) est nettement non symétrique, il est nécessaire
x y
de calculer Ω .
y
H(x,y)⋅−H(x, y d ) dxdy
sep
∫∫
Ω = (4)
y
2
Hd(x,y)xdy
∫∫
g) Irradier progressivement la surface optique soumise à essai pour les sites d'essai, N . Chaque site
TS
d'essai doit être séparé dans un réseau fermé hexagonal d'espacement de grille constante d . Pour un
sep
essai S sur 1, chaque site d'essai doit être irradié selon le nombre requis d'impulsions en fonction de
l'application. En cas de dommage d'un site quelconque, il y a défaillance et la partie concernée est mise
au rebut. Si la partie soumise à essai a résisté (aucun dommage d'un site quelconque), elle est
considérée comme ayant satisfait à l'essai pour les paramètres d'essai énumérés.
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NOTE La dérivation de la courbe ci-dessus, dite courbe de caractéristiques de fonctionnement (OC), repose sur un
mécanisme d'endommagement dominé par les défauts. Les détails de la dérivation de la courbe OC sont donnés dans
l'Annexe C.
Légende
X pourcentage de surface soumise à essai
1 1 défaut 5 10 défauts
2 2 défauts 6 30 défauts
3 5 défauts 7 50 défauts
4 7 défauts 8 100 défauts
Figure 2 — Courbe de caractéristiques de fonctionnement
6.4.3 Mode opératoire de Type 2
Les paramètres suivants doivent être spécifiés et maîtrisés afin de spécifier un essai de Type 2:
a) niveau de vérification, φ;
b) surface du niveau de vérification, A ;
φ
c) nombre de taches soumises à essai;
d) expositions de chaque tache;
e) fréquence de répétition des impulsions dans le cas d'un essai S sur 1;
f) espacement des sites d'essai, d .
sep
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Si l'entreprise chargée de la spécification ne précise pas ces paramètres, le laboratoire d'essai doit alors
utiliser la surface de tache maximale sur laquelle ils peuvent produire une contrainte de radiation suffisante
pour une vérification. Le laboratoire d'essai doit également proposer un motif de rayonnement sans
chevauchement des taches ainsi que la logique de l'essai (par exemple 10 rangées de 10 taches distinctes au
centre de la surface à soumettre à essai).
Un exemple d'essai de Type 2 défini est donné dans la dernière partie de l'Annexe B.
NOTE Un essai de Type 2, s'est avéré extrêmement utile dans des applications industrielles (à grande échelle).
7 Exactitude
Le bilan des erreurs d'étalonnage doit être établi pour déterminer l'exactitude totale de mesure. Les variations
d'énergie totale ou de puissance du faisceau, de profil spatial et de profil temporel doivent être prises en
compte dans ce bilan. Un exemple est donné dans le Tableau 4.
Tableau 4 — Bilan d'erreur type pour un système de laser impulsionnel
Variations aléatoires

± 3 %
Stabilité d'énergie d'une impulsion à l'autre
Stabilité du profil spatial d'une impulsion à l'autre ± 5 %
Stabilité du profil temporel d'une impulsion à l'autre ± 5 %
Variations systématiques
± 3 %
Étalonnage du calorimètre
Corrélation calorimètre-contrôle d'énergie ± 2 %
Reproductibilité globale des mesurages de la densité d'énergie ± 5,8 %
Incertitude de mesure globale de la densité d'énergie
± 6,8 %
Reproductibilité globale des mesurages de la densité de puissance
± 7,7 %
Incertitude de mesure globale de la densité de puissance
± 8,5 %
8 Rapport d'essai
Le rapport d'essai doit comporter les informations suivantes:
a) Informations générales
1) essai effectué conformément à l'ISO 11254-3:2006;
2) date de l'essai;
3) nom et adresse de l'organisme d'essai;
4) accréditation (le cas échéant);
5) nom de la personne ayant effectué l'essai;
6) nom du client.
b) Informations concernant l'échantillon d'essai
1) type d'échantillon;
2) fabricant de l'échantillon;
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3) numéro d'identification de la pièce et date de fabrication;
4) spécifications du fabricant concernant le stockage, le nettoyage, etc.;
5) spécifications du fabricant concernant l'utilisation normale.
c) Informations concernant l'installation d'essai
1) source du faisceau;
⎯ type de source de faisceau;
⎯ fabricant;
⎯ désignation du modèle du fabricant;
⎯ numéro de série;
2) description des autres équipements d'essai.
d) Conditions d'essai
1) longueur d'onde d'essai;
2) mode de fonctionnement: continu/impulsionnel;
3)
...