Post on 05-Jan-2020
transcript
1
PROGRAMUL OPERAŢIONAL SECTORIAL CREŞTEREA COMPETITIVITĂŢII
ECONOMICE
AXA PRIORITARĂ 2 – COMPETITIVITATE PRIN CDI
Operaţiunea 2.1.2: "Proiecte CD de înalt nivel ştiinţific cu participarea unor
specialişti din străinătate"
Titlul / Acronimul proiectului: Facilitate pentru diagnoza de fascicul laser si
caracterizare / certificare ISO a comportarii componentelor optice / materialelor sub
actiunea fasciculelor laser de mare putere / ISOTEST.
RAPORT DE CERCETARE Nr. 14/ 31.10.2013
Perioada de raportare: 24.09.2013 – 31.10.2013
2
RC 14 – CUPRINS
1. Diagnoza de fascicul laser. Masurari efectuate conform standardelor
ISO 11146-1: 2005, ISO 11554:2006 si prin metoda VariSpotTM
...........................pag. 3
1.1. Diagnoza spatiala de fascicul pe sistemul laser pulsat SURELITE II (Continuum)
la lungimea de unda fundamentala de 1064 nm (ISO 11146) .................. ............pag. 5
1.2. Diagnoza spatiala de fascicul pe sistemul laser pulsat SURELITE II (Continuum)
la lungimea de unda de 532 nm – armonica a doua (ISO 11146) .........................pag. 7
1.3. Diagnoza de fascicul pe sistemul laser in pulsuri de nanosecunde
BRILLIANT-10-SLM (Quantel) la lungimea de unda de 1064 nm......................pag. 9
1.3.1. Diagnoza spatiala de fascicul (metoda VariSpotTM
)......................................pag. 9
1.3.2. Diagnoza caracteristici energetice si temporale - ISO 11554 .......................pag. 11
2. Masurari PDCL prin testul S-on-1 / Fiabilitate 2 - ns (ISO 21254-2,3)...................pag. 17
2.1. Evaluarea experimentala, pe componente CVI Melles-Griot, a corelatiei
intre nivelele de anduranta la expunere laser extrapolate / testate cu testele ISO
S-on-1si Fiabilitate 2. ..............................................................................................pag. 17
2.2. Masurari PDCL prin testul ISO S-on-1 efectuate la lungimea de unda
de 1064 nm pe componente optice Ophir Optics SRL.............................................pag. 19
3. Informare şi publicitate, diseminarea rezultatelor............................ ........................pag. 20
4. Concluzii ........................................................................................................................pag. 20
Referinte ........................................................................................................................ pag. 22
ANEXA 1. Raport de diagnoza spatiala de fascicul (VariSpot) pentru sistemul
laser BRILLIANT-10-SLM 1064 nm...............................................................pag. 24
ANEXA 2. Raport de test S-on-1 la 1064 nm pe proba CVI-Melles Griot ........................pag. 28
ANEXA 3. Exemple de rapoarte de test S-on-1 pe componente Ophir Optics SRL............pag. 34
3
Raport de Cercetare nr. 14 / 31.10.2013
In cadrul activitatilor prevazute pentru a 14-a perioada de raportare (24.09.2013 -31.10.2013)
au fost obtinute urmatoarele rezultate:
Activitatea 2.5. Efectuare de teste/masurari conform procedurilor ISO elaborate si implementate
privind:
- Diagnoza de fascicul pe laseri in pulsuri scurte / ultrascurte dezvoltati de INFLPR.
- Diagnoza de fascicul pe laseri / echipamente laser portabile cu emisie in unda continua sau pulsat,
in gama de lungimi de unda 350 nm – 1100 nm.
- Masurarea PDCL, a fiabilitatii componentelor optice sub actiunea fasciculelor laser de mare
putere si a caracteristicilor de interactie fascicul laser-diferite materiale.
Realizat conform calendar.
1. Diagnoza de fascicul laser. Masurari efectuate conform standardelor ISO 11146-1: 2005,
ISO 11554:2006 si prin metoda VariSpotTM
.
Standardul ISO 11146-1 [1] se refera la masurarea parametrilor spatiali de propagare ai
fasciculelor laser stigmatice, avand simetrie de rotatie, sau aliniat simplu astigmatice, avand simetrie
ortogonala, in special dupa axele orizontala si verticala, x si y. Acesti parametri sunt: dimensiunile
transversale de fascicul (definite prin momente de ordinul doi), pozitia taliei, lungimea Rayleigh,
divergenta unghiulara si factorul de merit M2, pentru fasciculele stigmatice, si aceeasi parametri in
planul orizontal si respectiv vertical, pentru fascicule simplu astigmatice. Masurarea caracteristicilor
energetice si temporale ale fasciculelor laser este reglementata de standardul ISO 11554 [2].
In rapoartul de cercetare RC10 / 15.12.2012 a fost analizata in detaliu, teoretic si
experimental, metoda de masurare a parametrilor spatiali de propagare recomandata de standardul
ISO 11146-1. Masurarile au fost efectuate atat in aproximatia de fascicul laser stigmatic, ST,
(fascicul cu distributie circulara a densitatii de putere in plan transversal pe directia de propagare),
cat si in aproximatia de fascicul aliniat simplu astigmatic, ASA (fascicul cu distributie transversala
de densitate de putere eliptica, orientarea axelor principale ale elipsei ramanand constanta si aliniata
cu axele x si y, la diferite distante de propagare ale fasciculului).
Initial, am fitat datele experimentale dx, dy (diametre 4σ de fascicul masurate dupa lentila de
focalizare la diferie distante de propagare z) in Origin cu ecuatia dσ(z) = (a + bz + cz2)1/2
recomandata de standardul ISO 11146, unde dσ(z) = d4σx(z), d4σy(z). A rezultat ca, desi erorile
standard asociate parametrilor a, b si c dedusi prin fitarea datelor experimentale sunt extrem de mici
(de regula sub 1 %), fapt care probeaza o masurare corecta a diametrelor de fascicul, atunci cand
4
parametrii fizici ai fasciculului original si erorile corespunzatoare sunt dedusi din parametrii si
erorile a, b, c, se obtine o amplificare semnificativa a nivelului de eroare in determinarea catorva din
parametri originali de fascicul. Ca urmare, am cautat alte tehnici de fitare a datelelor experimentale
direct cu ecuatia de propagare dσ (z) = d1 + (z - z0)2/zR
2, in ideea de a reduce erorile asociate
rezultatelor finale ale masurarii, asa cum am aratat in rapoartele de cercetare anteriore RC10 si
RC11.
Pe baza unei analize efectuate pe fascicule bine caracterizate simulate pe calculator, in final a
fost elaborata o noua metoda de fitare care utilizeaza ecuatia de propagare a fasciculului laser
exprimata in doua moduri distincte, cu diferiti parametri de propagare. Datele experimentale se
fiteaza cu fiecare din cele doua variante ale ecuatiei de propagare, obtinand astfel direct setul
complet de parametri spatiali ai fasciculului focalizat. Noua metoda de fitare a datelor experimentale
a fost testata atat prin tehnici de simulare pe calculator, cat si experimental, pe diferite sisteme laser,
(v. raportul de cercetare RC12 din 21.06.2013). Rezultatele de mai sus au fost sintetizate in lucrarea
"How not to use ISO 11146-1:2005 standard and get small relative errors in spatial beam
characterization" prezentata din partea echipei ISOTEST la workshopul Laser-Induced Damage
Threshold and Laser Beam Characterization (LIDT & LBC) derulat in perioada 20-24 mai 2013 la
Bran, workshop suprapus cu a 3-a Conferinta Internationala "Modern Laser Applications", INDLAS
2013, sectiunea Laser Metrology and Testing.
In raportul de cercetare precedent (RC12) a fost descrisa si testata preliminar o noua metoda
de masurare a parametrilor spatiali de fascicul laser, elaborata in cadrul proiectului ISOTEST,
metoda care este echivalenta cu metoda traditionala de masurare propusa de standardul 11146-1.
Rezultatele teoretice si experimentale obtinute cu aceasta noua metoda au fost descrise in lucrarea
"New method to diagnose spatial laser beam parameters" prezentata din partea echipei ISOTEST la
workshopul LIDT & LBC, Bran, mai 2013. Metoda propusa de noi utilizeaza un sistem optic zoom
de tip VariSpotTM [3,4] bazat pe lentile cilindrice rotitoare, care inlocuieste lentila sferica din metoda
traditionala.. Pentru un fascicul incident de tip stigmatic, sistemul VariSpotTM produce un spot laser
rotund, de diametru reglabil D4σ(α), la o distanta de lucru fixa, in planul de lucru al sistemului. Aici
α este parametrul de control al diametrului de spot, avand o gama de variatie in limitele 00 - 90
0.
Apertura camerei CCD a analizorului de fascicul se pozitioneaza in planul de lucru al sistemului
VariSpotTM. In esenta, analiza teoretica a aratat ca exista o echivalenta intre metoda clasica ISO
(marimile din membrul stang) si metoda noua bazata pe VariSpotTM (marimile din membrul drept),
prin urmatoarea corespondenta: d4σx(z)↔ D4σ(α); z ↔ sin(α).
Echivalenta celor doua metode de masurare a parametrilor spatiali de fascicul (metoda ISO si
metoda VariSpotTM) a fost testata pe laserul laserul He-Ne LHX1 25LHP991-230 (CVI Melles Griot)
5
cu emisie in unda continua la lungimea de unda de 633 nm. Rezultatele masurarilor efectuate, care au
confirmat echivalenta acestor doua metode, au fost sintetizate in RC 13 din 23.09.2013.
1.1. Diagnoza spatiala de fascicul pe sistemul laser pulsat SURELITE II (Continuum)
la lungimea de unda fundamentala de 1064 nm (ISO 11146)
Laboratorul de Prelucrare Fotonica a Materialelor Avansate (PPAM) din Sectia Laseri –
INFLPR a solicitat o revaluare a caracteristicilor spatiale ale sistemului laser SURELITE II la
lungimea de unda fundamentala de 1064 nm si la lungimea de unda armonica de 532 nm. Masurarea
parametrilor spatiali de fascicul a fost efectuata cu setup-ul portabil de diagnoza aratat in Fig. 1, care
permite masurarea parametrilor spatiali de fascicul conform standardului ISO 11146-1 pe sisteme
laser situate in diferite locatii, in afara laboratorului ISOTEST. O mica fractiune din fasciculul
investigat este dirijat spre lentila de focalizare L si analizorul de fascicul cu camera CCD cu ajutorul
a doua separatoare de fascicul SF1, SF2. Analizorul de fascicul CCD (GRAS 20, Spiricon – Ophir)
este montat pe o sina de translatie ST, care permite masurarea profilului spatial transversal de
fascicul (distributia densitatii de energie laser) la diferite distante de propagare. Absorbantii de
fascicul de putere D1, D2 si absorbantii de fascicul D3, D4 ecraneaza replicile nedorite de fascicul
generate de separatoarele SF1 si SF2. Energia pulsurilor incidente de analizorul CCD sau pe
fotodioda FD poate fi reglata continuu cu atenuatorul variabil AV.
Conform ISO 11146-1, pentru masurarea parametrilor spatiali de propagare, se focalizeaza
fasciculul cu lentila convergenta L, cu pozitie si parametri cunoscuti, si se masoara diametrul de
fascicul definit cu momente de ordinul doi, dσ(z), cu analizorul de fascicul CCD, dupa lentila de
focalizare ("spatiul 2"), la diferite distante de propagare z fata de planul principal posterior al lentilei.
Pentru a minimiza erorile asociate parametrilor originali ai fasciculului astfel masurat, datele
experimentale obtinute se fiteaza in Origin cu doua variante ale ecuatiei de propagare
D(z) ≡ d(z) = d1 + (z - z0)2/zR
2care descrie evolutia dimensiunilortransversale de fascicul cu
distanta de propagare), obtinand astfel direct setul complet de parametri spatiali ai fasciculului
focalizat (v. raportul de cercetare RC12 din 21.06.2013). Cunoscand parametrii fizici ai fasciculului
focalizat (spatiul 2), in final se calculeaza parametrii fizici care corespund fasciculului original
emergent din laser (spatiul 1). Formulele de calcul au fost prezentate in detaliu intr-un raport de
cercetare anterior, RC 10/15.12.2012. Masurarile au fost efectuate in aproximatia de fascicul laser
stigmatic (ST).
6
Fig. 1. Schema setupului portabil de diagnoza fascicul.
A1, A2: aperturi de aliniere optica; SF1, SF2: separatoare de fascicul; DE: detector de energie laser; D1 – D4:
absorbanti fascicul; AV: atenuator variabil; L: lentila de focalizare; FD: fotodioda rapida; CCD: analizor
fascicul cu camera CCD; ST: sina de translatie.
Fig. 2. Fitarea hiperbolică a fasciculului laser fundamental de 1064 nm măsurat după lentila de focalizare.
Date experimentale: z, D; parametrii de fitare: M2, z0, zR; D0, z0, θ.
Rezultatele finale, adica parametrii fasciculului original emis de laser, sunt sintetizate in Tabelul 1.
A1
Osciloscop
Monitor
energie Laser A2
A2
SF2
SF1 DE
AV L
CCD
FD
ST
D1
D2
D3
D4
Setup diagnoza portabil
7
Tabelul 1. Parametrii fizici ai fasciculului original emis de laser (in aproximatia de fascicul ST).
Parametri Valoare medie Unitati Abatere standard
relativa (%)
Incertitudinea
standard estimata (%)
Coordonata taliei z01 4.5 x 103 mm 50 %
Diametrul taliei dσ01 7.5 mm 10 %
Lungimea Rayleigh zR1 10 x 103 mm 15 %
σ1 0.70 mrad 10 %
Factorul de merit M2
4.0 - 5 %
In Fig. 3 sunt aratate doua exemple de profile spatiale de fascicul masurate la diferite distante
de separare z de lentila de focalizare.
(a) (b) Fig. 3. Exemple de profile spatiale de fascicul masurate la 1064 nm la diferite distante de separare z de lentila
de focalizare: (a) z = 348 mm; (b) z = 374 mm.
1.2. Diagnoza spatiala de fascicul pe sistemul laser pulsat SURELITE II (Continuum)
la lungimea de unda de 532 nm – armonica a doua (ISO 11146)
Masurarea parametrilor spatiali ai fasciculului laser armonic la lungimea de unda de 532 nm a
fost efectuata cu acelasi setup aratat in Fig. 1, in aproximatia fascicul ST. A fost utilizata aceeasi
metoda de fitare a datelor experimentale cu doua variante ale ecuatiei de propagare. Deducerea
parametrilor fizici ai fasciculului focalizat (spatiul 2) prin fitarea datelor experimentale este
sintetizata in Fig. 4. Cunoscand parametrii fizici de fascicul din spatiul 2, se calculeaza parametrii
fizici ai fasciculului original (spatiul 1), care sunt listati in tabelul 2.
8
Fig. 4. Fitarea hiperbolică a fasciculului armonic de 532 nm măsurat după lentila de focalizare. Date
experimentale: z, D; parametrii de fitare: M2, z0, zR; D0, z0, θ.
Tabel 2. Parametrii fasciculului armonic original aproximat ca fascicul stigmatic.
Parametrii spaţiali Valoare medie Unităţi Abaterea standard
relativă Unităţi
Locaţia taliei fasciculului z01 4.0 x 103 mm 10 %
Diametrul taliei fasciculului
dσ01
4.4 mm 10 %
Lungimea Rayleigh zR1 2.2 x 103 mm 10 %
Unghiul de divergenţă σ1 2.0 mrad 5 %
Beam propagation ratio M2
9 - 10 %
In Fig. 5 sunt aratate doua exemple de profile spatiale de fascicul masurate la diferite distante de
separare z de lentila de focalizare.
(a) (b) Fig. 5. Exemple de profile spatiale ale fasciculului armonic la 532 nm masurate la diferite distante de separare
z de lentila de focalizare: (a) z = 325 mm; (b) z = 355 mm.
9
1.3. Diagnoza de fascicul pe sistemul laser in pulsuri de nanosecunde BRILLIANT-B-10-SLM
(Quantel) la lungimea de unda de 1064 nm.
Datorita scaderii eficientei pompajului optic al laserului din statia automata in pulsuri de
nanosecunde, a fost necesara schimbarea lampilor de pompaj (operatie care se efectueaza periodic,
dupa procesul de ″imbatranire″ al lampilor ca urmare a functionarii in regim nominal). Aceasta
schimbare a dus la modificarea parametrilor spatiali, energetici si temporali ai fasciculului laser
fundamental de lungime de unda 1064 nm, ca urmare a modificarii substantiale a parametrilor de
pompaj. Modificarea parametrilor de fascicul a impus efectuarea unei noi diagnoze a parametrilor
spatiali, energetici si temporali ai fasciculului fundamental si o noua calibrare a atenuatorului variabil
de fascicul.
1.3.1. Diagnoza spatiala de fascicul (metoda VariSpotTM
).
Diagnoza spatiala de fascicul a fost efectuata cu metoda VariSpotTM
, utilizand dispozitivul
VarispotTM
al statiei automate, care este utilizat de regula pentru controlul marimii si formei spotului
laser in planul tintei in testul S-on-1 pentru masurarea PDCL. In Fig. 6 este aratata schema setup-ului
de masura, care este de fapt o parte a setup-ului S-on-1. Analizorul de fascicul cu camera CCD este
pozitionat intr-un plan echivalent cu planul tintei d.p.d.v. al drumului optic, la fel ca in timpul
derularii testului S-on-1, in planul de lucru al dispozitivului VariSpot. Cu alte cuvinte, diagnoza
fasciculului laser de test se realizeaza simplu, practic fara modificari aduse setup-ului S-on-1, fapt
care ilustreaza clar unul din avantajele aduse de noua metoda de diagnoza spatiala de fascicul
elaborata si implementata in cadrul acestui proiect.
Masurarile au fost efectuate la lungimea de unda laser de 1064 nm, la frecventa nominala de
repetitie a pulsurilor laser de 10 Hz, dispozitivul VariSpotTM
avand o distanta focala de ~1 m la
aceasta lungime de unda. A fost determinata experimental distanta de separare intre planul de lucru si
planul median al sistemului VariSpotTM
. Analizorul de fascicul laser tip GRAS 20 cu soft BeamGage
Professional si camera CCD (Spiricon - Ophir) a fost pozitionat pe sina de translatie cu senzorul
CCD in planul de lucru al sistemului VariSpot, pentru a masura diametrul de fascicul definit cu
momente de ordinul doi, D4σ(z), dupa Varipot ("spatiul 2"), la diferite valori ale parametrului α. Prin
fitarea datelor experimentale (sin , Dx, Dy) cu ecuatia
2
04
sinsin1)(sin
rDD m
,
se obtin parametrii spatiali (sinα0, Dm, r) ai fasciculului transformat din spatiul 2, asa cum se arata in
Fig. 7. Caracteristicile de propagare ale fasciculului incident (d1, zR, D0, M2, se deduc din parametrii
10
fasciculului transformat d20, Dm, r, masurati in spatiul 2, fiind cunoscute distanta focala f si lungimea
de unda a fasciculului laser.
Fig. 6. Schema montajului experimental pentru masurarea parametrilor de fascicul la lungimea de unda de
1064 nm pe sistemul laser BRILLIANT-B-10-SLM. DE, energimetru laser; AT, atenuatori neutri; CCD,
analizor fascicul laser montat pe sina de translatie.
Fig. 7. Fitarea hiperbolică a diametrului spotului rotund al fasciculului laser fundamental de 1064 nm măsurat
după lentila de focalizare. Date experimentale: sinα, D; parametrii de fitare: Dm, sinα0 (notat s0), r.
Rezultatele finale, adica parametrii fasciculului laser original, sunt date in Tabelul 3.
Laser pulsat
BRILLIANT-b-SLM
Sistem
VariSpotTM
Atenuator
variabil
S
Fotodioda
DT CCD
Osciloscop
digital
AT
Procesor Digital
de Semnale
DE
11
Tabelul 3. Parametrii fizici ai fasciculului original emis de laserul BRILLIANT- B-SLM
la lungimea de unda de 1064 nm.
Spatial beam parameters Mean value Units Relative standard
deviation Units
Beam waist location, d1 7.4 x 103 mm 15 %
Beam waist diameter, D0 2.0 mm 10 % Rayleigh length, zR 1.5 x 10
3 mm 15 %
Beam divergence angle, 1.4 mrad 15 %
Beam propagation ratio, M2
2.1 - 15 %
1.3.2. Masurarea caracteristicilor temporale si energetice de fascicul la lungimea de
unda de 1064 nm – ISO 11554
Conform standardului ISO 11554, urmatorii parametri determina caracteristicile temporale
ale emisiei laser si pot fi obtinuti din masurari:
- Durata pulsului, τH, definita ca intervalul maxim intre doua momente de timp la care puterea
instantanee a pulsului laser, P(t), atinge nivelul de 50 % din puterea sa de varf Ppk.
- Durata pulsului la 10 %, τ10, definita ca intervalul maxim intre doua momente de timp la care
puterea instantanee a pulsului laser, P(t), atinge nivelul de 10 % din puterea sa de varf Ppk.
- Timpul de crestere, τR, definit ca intervalul intre doua momente de timp la care puterea
instantanee a pulsului laser, P(t), creste de la 10 % la 90 % din puterea sa de varf Ppk.
- Timpul de cadere, τF, definit ca intervalul intre doua momente de timp la care puterea
instantanee a pulsului laser, P(t), scade de la 90 % la 10 % din puterea sa de varf Ppk.
- Profilul temporal sau forma pulsului, adica puterea pulsului P(t) ca o functie de timp,
reprezentata de semnalul electric de la iesirea fotodiodei S(t); de notat ca P(t) este
proportional cu S(t).
- Expresia cantitativa a functiei ce da profilului temporal este data de:
2
1
)(
)()(
t
t
dttS
QtStP
(1)
unde Q este energia pulsului laser masurata cu un detector calibrat, t1 si t2 sunt limite de
integrare definite de conditia t1, t2 = t [unde S(t) ≤ 0,1Smax], Smax fiind valoarea maxima a
semnalului S(t).
Puterea de varf Ppk a pulsului laser se calculeaza cu relatia
12
2
1
)(
max
t
t
pk
dttS
QSP
(2)
Masurarea caracteristicilor temporale ale fasciculelor laser pulsate conform ISO 11554
presupune determinarea valorilor medii ale marimilor τH, τ10, τR, τF, Ppk si a incertitudinilor extinse
corespunzatoare, calculate cu relatiile de mai jos.
Abaterea standard experimentala s pentru n determinari mi ale parametrului m este data de
ecuatia
1
)(1
2
n
mm
s
n
i
i
(3)
unde valoarea medie a lui m este
n
m
m
n
i
i 1
(4)
Incertitudinea relativa extinsa a unei masurari se determina din abaterea standard, s, si din
inceritudinea relativa extinsa a factorului de calibrare, Urel(C), conform ecuatiei:
22 )(4 CUU relrel
(5)
unde ε este abaterea standard relativa, ms / , si
k
j
jrelrel CUCU1
2)()( , (6)
Urel(Cj) reprezinta incertitudinile relative extinse de calibrare ale diferitelor componente ale
sistemului de masura. Incertitudinile extinse sunt determinate pentru un nivel de confidenta de 95 %,
ceea ce inseamna ca probabilitatea ca valoarea adevarata a marimii masurate sa fie situata in
intervalul m ± Urel este de 95 %.
Pentru masurarea acestor parametri pe sistemul laser BRILLIANT-B-10-SLM cu emisie la
lungimea de unda de1064 nm, am utilizat urmatoarele instrumente de masura:
13
- Energia laser per puls, Q, si frecventa de repetitie a pulsurilor laser, fp, a fost masurata cu un
detector piroelectric J-50MB-YAG – Coherent (domeniul de masura 1,5 mJ – 3 J, lungimea de
unda de calibrare 1064 nm, domeniul spectral 266 nm – 2100 nm, diametrul aperturii 50 mm,
incertitudinea calibrarii ±2 %), cuplat la un energimetru LabMax-TOP.
- Profilul temporal al pulsurilor laser a fost masurat cu o fotodioda rapida cu siliciu UPD-200-
UD (banda de frecventa 2 GHz), conectata la un osciloscop Tektronix tip DPO 7104, banda de
frecventa 1 GHz) .
Incertitudinea extinsa a rezultatelor masurarii a fost calculata cu ajutorul ecuatiilor (4) – (6) si
(7) – (12). Masurarile au fost efectuate la lungimea de unda laser de 1064 nm, la frecventa de
repetitie nominala de 10 Hz. In Fig. 8a si Fig. 8b este aratata diagrama evolutiei energiei laser per
puls pentru doua nivele de energii de lucru (9 mJ si 300 mJ). Profilul temporal tipic S(t) al pulsurilor
laser generate de sistemul laser este aratat in Fig. 9. Analiza profilului temporal de puls a fost
efectuata pe un numar de 100 profile S(t) inregistrate de sistemul de detectie.
Fig. 8a. Diagrama evolutiei energiei pulsurilor laser generate de laserul BRILLIANT B-10-SLM la lungimea
de unda de 1064 nm (statistica efectuata pe ~1300 masurari): energia medie per puls 8.9 mJ,
abaterea standard (rms) 0.034 mJ (0.4 %); frecventa de repetitie 9.99 Hz.
14
Fig. 8b. Diagrama evolutiei energiei pulsurilor laser generate de laserul BRILLIANT B-10-SLM la lungimea
de unda de 1064 nm (statistica efectuata pe ~ 30 600 masurari): energia medie per puls 0.49 J,
abaterea standard (rms) 1.6 mJ (< 0.4 %); frecventa de repetitie 9.99 Hz.
Fig. 9. Profilul temporal al unui puls laser la lungimea de unda 1064 nm generat de sistemul BRILLIANT B-
10-SLM (semnalul S(t) afisat pe ecranul osciloscopului DPO 7104). Setari: baza de timp 5 ns/div; scala
verticala 40 mV/div. Durata pulsului la jumatate din amplitudine ~ 4.5 ns.
Rezultatele masurarilor sunt sintetizate in Tabelul 4 (datele experimentale) si in Tabelul 5
(rezultatele finale).
Tabelul 4. Parametrii temporali si energetici ai fascicului fundamental de 1064 nm; fp, frecventa de repetitie a
pulsurilor laser; Pave, puterea medie a fasciculului laser pulsat.
Nr. Parametri
Valoare medie
m [unitati]
Abaterea standard
relativa
ms / [%]
1 τH 4.5[ns] < 0.1
15
2 τ10 9.6 [ns] < 0.1
3 τR 3.2 [ns] < 0.1
4 τF 6.4 [ns] < 0.1
5 Smax
313 [mV] 0.1
6 2
1
)(
t
t
dttS
1.9 [nVs]
0.1
7 Ppk 80 [MW] 0.5
8 Q 0.49 [J] 0.4
9 fp 9.99 [Hz] 0.01
10 Pave 4.9 [W] 0.4
Puterea medie a fasiculului armonic generat de laserul BRILLIANT-B-SLM nu a putut fi
masurata cu un detector destinat laserilor in unda continua din aceeasi gama de putere (de exemplu,
detectorul PowerMax-USB UV/VIS utilizat la masurarea puterii laserilor He-Ne si a diodelor laser
de mica putere), deoarece densitatea de putere de varf a pulsului laser depaseste nivelul de 100
kW/cm2, cu mult peste densitatea de putere maxim admisibila a detectoarelor pentru laseri in unda
continua. Ca urmare, puterea medie, aveP , a fasciculului laser pulsat a fost calculata cunoscand
energia medie per puls, Q , si frecventa de repetitie medie, pf , a pulsurilor laser:
pave fQP
(7)
Pentru masurarea parametrilor temporali, incertitudinea de calibrare, Urel(C), este determinata
de trei factori potentiali:
- Banda de frecventa limitata (finita) a sistemului fotodioda – osciloscop, care actioneaza ca
un filtru trece-jos tinzand sa largeasca profilul temporal al pulsului laser afisat pe osciloscop;
- Eroarea de calibrare a bazei de timp a osciloscopului digital.
- Eroarea de calibrare a scalei verticale (a sensibilitatii osciloscopului, mV/div.). Aceasta
eroare, care intervine in determinarea puterii de varf a pulsului laser, Ppk, nu este semnificativa
deoarece factorul de calibrare se regaseste atat la numaratorul, cat si la numitorul ecuatiei (1).
Eroarea introdusa de banda limitata a sistemului de detectie poate fi estimata cu relatiile de
mai jos [5]:
22
22
fdRoscRRc
RcRmasR
(8)
16
unde τR-mas este timpul de crestere al semnalului S(t) afisat de osciloscop, τR este timpul de crestere al
pulsului laser incident pe fotodioda, τR-osc si τR-fd sunt respectiv timpii proprii de crestere ai
osciloscopului si fotodiodei, τRc este timpul total de crestere al sistemului osciloscop – fotodioda.
Efectul de largire al pulsului masurat poate fi compensat prin introducerea unui factor de corectie
F = τR/τR -mas , (9)
care este aplicat rezultatului masurarii
HcorH F . (10)
Incertitudinea standard de tip B (de calibrare) poate fi evaluata ca fiind jumatate din corectia
aplicata, ca urmare incertitudinea extinsa corespunzatoare, Urel(C), este data de corectia insasi [6]:
)1(100)[%]( FCUrel (11)
Pentru calculul timpilor τR-osc si τR-fd am utilizat relatia generala τ = 0.35/B, unde τ and B sunt
respectiv timpul de crestere si banda de frecventa a dispozitivului respectiv [5]. Pentru τR-osc = 350 ps
si τR-fd = 175 ps, din ecuatiile (19) si (20) rezulta un factor de corectie F = 0,98.
Eroarea de calibrare a bazei de timp a osciloscopului DPO 7104 poate fi estimata cu
urmatoarea relatie, conform specificatiilor tehnice ale aparatului:
[(0.06 / rata de esantionare) + (2.5 ppm × t)] = valoare rms (12)
Pentru o rata de esantionare de 20 GS/s si o largime totala a bazei de timp t = 50 ns, rezulta
o abatere standard absoluta rms ≈ 3 ps, care este neglijabila in comparatie cu alte surse de erori
considerate in bugetul erorilor.
In concluzie, putem considera ca incertitudinea extinsa de calibrare a parametrilor temporali
este determinata practic de marimea factorului de corectie impus de banda de frecventa limitata a
sistemului de detectie. Conform ecuatiei (11), pentru F = 0,98 obtinem Urel(C) = 2 %. Cunoscand
Urel(C), incertitudinea extinsa totala a rezultatului masurarii, Urel, se calculeaza cu ajutorul ecuatiei
(4). Pentru energia laser per puls Q, incertitudinea extinsa de calibrare este Urel(C) = 4,5 %, conform
specificatiilor detectorului J-50MB-YAG si ale energimetrului LabMax-TOP.
Rezultatele finale ale masurarii parametrilor temporali si energetici ai fasciculului
fundamental de lungime de unda 1064 nm emis de laserul BRILLIANT-b-10-SLM sunt listate in
Tabelul 5.
17
Tabelul 5. Parametrii temporali si energetici de fascicul (rezultate finale).
Nr Parametri temporali si
energetici
Rezultat
Incertitudinea extinsa
Urel
1 Durata pulsului, τH 4.5 ns ± 2 %
2 Puterea de varf, Ppk 80 MW ± 5 %
3 Energia pe puls, Q 0.49 J ± 5 %
4 Frecventa de repetitie a
pulsurilor, frep
9.99 Hz ± 0.01 %
5 Puterea medie de
fascicul, Pave
4.9 W ± 5%
In final, a fost calibrat atenuatorul variabil in noile conditii de functionare ale laserului de test
BRILLIANT-b-10-SLM, prin ridicarea experimentala a caracteristicii de iesire (energie laser per
puls functie de unghiul de rotatie al lamei semiunda fata de pozitia de referinta). Noua curba de
calibrare a atenuatorului variabil este aratata in Fig. 10.
Fig. 10. Caracteristica de iesire a atenuatorului variabil la lungimea de unda laser de 1064 nm.
2. Masurari PDCL prin testul S-on-1 / Fiabilitate 2 (ISO 21254-1,2,3,4).
2.1. Evaluarea experimentala, pe componente CVI Melles-Griot, a corelatiei intre nivelele de
anduranta la expunere laser extrapolate / testate cu testele ISO S-on-1si Fiabilitate 2.
Testul S-on-1 reprezinta cea mai completa procedura ISO de masurare a PDCL, care ofera o
vedere de ansamblu asupra performantei de rezistenta la distrugere laser si permite o estimare
cantitativa a duratei de viata a componentei testate. Testul S-on-1 este distructiv, majoritatea siturilor
18
interogate fiind distruse prin expunere in fascicul laser. Testul de Anduranta tip 2 este un test mai
simplu, de tip da/nu, potential nedistructiv (daca componenta a rezistat) si este utilizat pentru testarea
durabilitatii componentelor optice iradiate la un nivel prestabilit al densitatii de energie/putere laser.
Ideea testului prezentat in continuare a fost de a evalua experimental daca nivelul de
anduranta la expunere laser obtinut prin extrapolarea caracteristicii de distrugere a probei
determinata experimental prin testul S-on-1 este corelat cu nivelul de anduranta confirmat prin testul
Fiabilitate tip 2. Pentru a elimina diferentele inerente existente intre proprietatile fizice a doua probe
"identice", cele doua tipuri de teste ISO au fost efectuate pe o aceeasi proba de arie mare, un
separator-pana de fascicul din cuart topit tip LW-3-1550-UV(CVI Melles Griot), avand calitatea
suprafetei 10-5 si diametrul de 50.4 mm.
Caracteristica de distrugere a probei LW-3-1550-UV(CVI Melles Griot) ridicata
experimental prin testul S-on-1 este aratata in Fig. 11.
Fig.11. Caracteristica S-on-1 de distrugere LW-3-1550-UV (CVI Melles Griot)
X – numarul de pulsuri laser N (N ≤ S) pentru care s-a calculat probabilitatea de distrugere;
Y – Densitatea de energie la pragul de distrugere, H(N) (J/cm2);
1 – Densitatea de energie la prag pentru probabilitate de distrugere 0 %, H0(N) – date experimentale;
2 – Densitatea de energie la prag pentru probabilitate de distrugere 50 %, H0(N) – date experimentale;
3 – H0(N) – caracteristica fitata neliniar ;
4 – H50(N) – caracteristica fitata neliniar.
Extrapolarea acestei caracteristici pentru un numar mare de pulsuri laser suportate de proba a indicat
un nivel de anduranta de 33 J/cm2 la o durata efectiva a pulsurilor laser de 6,4 ns, asa cum se arata in
Raportul de Test # 135 / 23.10.2013 din ANEXA 2 a prezentului raport de cercetare.
Laboratorul ISOTEST recomanda beneficiarilor sa ia in considerare un factor de siguranta de
0.9 din nivelul extrapolat prin testul S-on-1. Ca urmare, nivelul de anduranta (asurance level) pentru
19
testul Fiabilitate tip 2 a fost stabilit la 30 J/cm2, la o durata efectiva a pulsurilor laser de 6,4 ns. Testul
a fost efectuat in doua variante, dupa cum urmeaza:
- cu spot laser mare (diametru de spot = 1,2 mm), avand un profil spatial apropiat de profilul
rectangular (top-hat), conform recomandarilor standardului ISO 21254-3;
- cu spot mic diametru de spot = 0,2 mm ), avand profil spatial apropiat de profilul gaussian, identic
cu cel utilizat in testul S-on-1.
Ambele teste au fost trecute fara inregistrarea de situri distruse, fapt care confirma ca nivelul
de anduranta al probei extrapolat in testul S-on-1 este corelat cu nivelul de anduranta testat in testul
Fiabilitate 2. Deoarece este cunoscut ca, pentru spoturi mai mari de 0,1 mm, exista o tendinta de
scadere a valorii PDCL odata cu marirea dimensiunii spotului laser [17,18], reusita celui de al doilea
test de fiabilitate reprezinta o confirmare suplimentara a nivelului de anduranta laser in conditii
diferite de functionare. Raportul de test S-on-1 al probei este aratat in ANEXA 2 a prezentului raport.
2.2. Masurari PDCL prin testul ISO S-on-1 efectuate la lungimea de unda de 1064 nm pe
componente optice Ophir Optics SRL.
In perioada de raportare au fost efectuate 14 teste S-on-1 pentru masurarea PDCL la
lungimea de unda de 1064 nm pe 14 probe-martor tip acoperiri ARW_650_1050,
ARW_650_1050_LD si ARW_650_1050_LD1 (trei tipuri de acoperiri la standarde laser anti-
reflectante la 650 nm si in jur de 1050 nm), provenite de la 14 sarje de componente optice fabricate
de Ophir Optics SRL. Au fost intocmite 14 rapoarte de test care au fost inaintate producatorului.
Prin aceasta, producatorul Ophir Optics SRL a verificat o serie de sarje d.p.d.v. al rezistentei in camp
laser, inainte de a fi livrate beneficiarilor. Mentionam ca aceasta colaborare cu Ophir Optics este
benefica in egala masura si pentru laboratorul nostru, care beneficiaza in acest fel de componente
optice la standarde laser pentru testarea procedurilor ISO implementate in cadrul proiectului
ISOTEST.
Procedura de determinare a PDCL prin testul S-on-1 si modul de evaluare a incertitudinii
rezultatelor masurarii au fost descrise in ultimile rapoarte de cercetare precedente. In Tabelul 6 sunt
detaliate rezultatele masurarilor efectuate pe cele 9 probe de tip ARW_650_1050_LD1, unde sunt
listate valorile PDCL masurate (exprimate in J/cm2 si in W/cm
2), componentele importante care
determina nivelul de incertitudine al rezultatelor si valoarea estimata a incertitudunii combinate
(totale) in masurarea PDCL.
Tabelul 6. Rezultatele masurarilor de PDCL cu fascicule laser in nanosecunde la 1064 nm pe probe tip
ARW_650_1050_LD1.AR: acoperire dielectrica antireflex.
Nr
cr
Nr. Sarja/ tip acoperire PDCL
[J/cm2]
PDCL
[GW/ cm2]
uP
[%]
uQ
[%]
UC [%]
(PDCL in W/ cm2)
1 SJ 8927
ARW_650_1050_LD1
3.0 0.45 22 3.0 25
20
2 SJ 8921
ARW_650_1050_LD1
5.5 0.79 22 3.1 25
3 SJ 8929
ARW_650_1050_LD1
10 1.4 20 3.0 23
4 SJ 8967
ARW_650_1050_LD1
11 1.5 12 2.3 17
5 SJ 8982
ARW_650_1050_LD1
5.3 0.72 19 2.6 22
6 SJ 8986
ARW_650_1050_LD1
1.6 0.22 18 3.5 22
7 SJ 8982+8986
Lama diametru 50 mm
ARW_650_1050_LD1
9.3 1.5 14 2.8 19
8 SJ 8982+8986
Lentila 1 diametru 30 mm
ARW_650_1050_LD1
3.7 0.58 32 10 35
9 SJ 8982+8986
Lentila 2 diametru 30 mm
ARW_650_1050_LD1
10 1.6 11 3.3 16
Histograma rezultatelor masurarii PDCL [J/cm2] pentru cele 9 sarje de acoperiri
ARW_650_1050_LD1, aratata mai jos in Fig. 12, ilustreaza o mare dispersie a caracteristicilor de
distrugere laser a acestor sarje (PDCL cuprins intre 1.6 J/cm2 si 11 J/cm
2), fapt care semnifica
existenta unui anumit grad de nereproductibilitate a parametrilor de proces in tehnologia de depunere
si / sau in tehnologia de preparare a substratului pentru depunere.
In ANEXA 3 a prezentului raport sunt data doua exemple de rapoarte de test pentru probe tip
ARW_650_1050_LD1.
3. Informare şi publicitate, diseminarea rezultatelor (Activitatea 4).
Realizat, conf. Calendar.
3.1. A fost actualizata pagina web a proiectului conform ultimelor realizari.
3.2. Seminar ISOTEST-CETAL "Rezultate si expertiza ISOTEST cu aplicatii potentiale pentru laseri
cu puteri in impuls in gama terawatt -petawatt", autori G. Nemes, A. Stratan, tinut in ziua de
28.10.2013. In seminar au fost prezentate rezultatele Laboratorului ISOTEST in domeniul testelor de
Fig. 12. Histograma (numar de probe-martor [Nr. de
probe] in functie de valorile PDCL masurate
(PDCL [J/cm2]) pe acoperiri ARW_650_1050_LD1.
21
damage al componentelor optice si in domeniul de diagnoza de fascicul laser si diagnoza de spot
laser, precum si alte domenii in care expertiza ISOTEST s-ar putea aplica la laserii de foarte mare
putere in impuls. Scopul este o informare generala si reciproca intre participanti si gasirea unor teme
de interes comun de colaborare in viitorul apropiat.
3.3. Anunt de presa de incetare a proiectului.
4. Concluzii
Odata cu incheierea ultimei perioade de raportare (24.09.2013-31.10.2013) apreciem ca au
fost indeplinite in bune conditiuni toate obiectivele prezentului proiect, ca urmare a realizarii /
implementarii tuturor activitatilor prevazute in Calendarul Activitatilor din Cererea de Finantare,
concretizate prin principalele rezultate obtinute in cadrul proiectului ISOTEST, mentionate pe scurt,
mai jos.
1. Statie Automata pentru masurarea PDCL al componentelor optice cu pulsuri de nanosecunde
(ISO 21254-1,2,3,4), elaborata si dezvoltata in cadrul proiectului pe baza unor solutii tehnice si
metode originale [3,4,7-11]. Pe aceasta statie sunt implementate doua proceduri ISO:
- Testul S-on-1 pentru masurarea PDCL in regim multipuls, la lungimile de unda de 1064 nm, 532
nm, 355 nm, conform ISO 21254-2;
- Testul de Fiabilitate tip 2, pentru testarea componentelor iradiate la un nivel prestabilit al densitatii
de putere laser, la lungimile de unda de 1064 nm, 532 nm, 355 nm, conform ISO 21254-3.
2. Statie Automata pentru masurarea PDCL al componentelor optice cu pulsuri de femtosecunde
(ISO 21254-1,2,3,4), elaborata si dezvoltata in cadrul proiectului pe baza unor solutii tehnice si
metode originale [8-12]. Pe aceasta statie este implementat Testul S-on-1 pentru masurarea PDCL in
regim multipuls la lungimea de unda de 775 nm, conform ISO 21254-2.
3. Dispozitiv de diagnosticat caracteristici energetice, spatiale si temporale de fascicul laser
conform standardelor ISO 11146-1,2,3, ISO 11554 si a noii metode VariSpot - echivalenta cu
ISO 11146, dezvoltat pe baza unor solutii tehnice si metode originale [3,4,13,14].
Dispozitivul, care include si un setup portabil pentru diagnoza ISO, permite diagnosticarea la
nivel ISO a unei game largi de fascicule laser (cu lungimi de unda intre 350 nm si 1100 nm si cu
durate de puls intre 200 fs si infinit (emisie laser continua)). Diagnosticarea cuprinde masurarea
parametrilor energetici (energie in impuls; putere in impuls; putere de impuls de varf; putere medie),
parametrilor temporali (forma si durata de impuls; timp crestere/timp scadere a impulsului; frecventa
de repetitie a impulsurilor) si parametrilor spatiali (tip de simetrie a fasciculului – stigmatic, simplu
astigmatic, general astigmatic; dimensiunile transversale de fascicul; divergentele unghiulare de
fascicul; rapoartele de propagare (numite M2); lungimile de colimare (lungimi Rayleigh) si altele).
4. Pe aceste trei instalatii au fost efectuate un numar mare de proceduri ISO de masurare /testare si
22
alte teste speciale, dupa cum urmeaza:
- 111 teste S-on-1 pentru masurarea PDCL conform ISO 21254-2;
- 20 teste Fiabilitate tip 2 conform ISO 21254-3;
Aceste teste au fost efectuate pe componente optice furnizate de producatorul SC Ophir Optics SRL
Bucuresti (o companie Newport-Ophir, USA - Israel), care a sustinut astfel efortul de implementare a
acestor proceduri ISO pe statiile automate aflate in dezvoltare. Incepand cu luna ianuarie 2013, odata
cu finalizarea implementarii testului S-on-1 pe statia automata in pulsuri de nanosecunde, Ophir
Optics a solicitat certificarea proprietatilor de rezistenta la distrugere laser ale sarjelor de
componente optice realizate, pe baza testelor ISO S-on-1 si Fiabiliate efectuate pe probe-martor in
Statia Automata in conformitate cu standardele ISO 21254 – 1,2,3,4. Ca urmare, in perioada ianuarie
2013 - 31 oct. 2013 au fost efectuate 94 teste S-on-1 si 20 teste fiabilitate tip 2 pe probe-martor,
finalizate cu Rapoarte de Test trimise producatorului.
- 33 proceduri de diagnoza fascicul (ISO 11146, VariSpot, ISO 11554) efectuate pe sisteme laser
din Sectia Laseri –INFLPR (SURELITE II – Continuum, USA si BRILLIANT-B-10-SLM –
Quantel, Franta, in pulsuri de ns, Hyper Rapid 50 (Coherent Inc., USA) si sistem oscilator
microchip- amplificator (INFLPR) in pulsuri de ps, Clark MRX (USA) tip CPA 2101 si Amplitude
Technology (Franta) -TEWALAS in pulsuri de fs), sisteme destinate procesarii materialelor si altor
aplicatii de ablatie laser. Aceste rezultate privind diagnoza ISO a parametrilor de fascicul obtinute pe
diferite sisteme laser stationare din Sectia Laseri cu emisie in pulsuri de ns/ps/fs la lungimi de unda
din ultraviolet apropiat in infrarosu apropiat si pe diferiti laseri portabili in unda continua
demonstreaza potentialul actual al laboratorului ISOTEST in testarea, optimizarea si calibrarea unei
game variate de surse laser utilizate in numeroase tipuri de aplicatii din diferite locatii, la cererea
beneficiarilor potentiali.
- 6 teste speciale: caracteristici de transmisie pe diferite tipuri de sticle supuse la radiatii
ionizante; Modificarea factorului de merit M2 al fasciculului He-Ne indusa de difuzanti optici
realizati prin tehnici holografice [15, 16]. Aceste teste evidentiaza flexibilitatea instalatiilor de mai
sus de a efectua o gama larga de teste / masurari speciale, utile in cercetare sau in industrie.
5. Participarea specialistilor din echipa ISOTEST cu doua lucrari stiintifice [7,8] la “Annual
Symposium on Optical Materials for High Power Lasers”, 23-26 Sept. 2012, NIST, Boulder,
Colorado, USA (principala conferinta internationala in domeniul distrugerii in camp laser si al
opticii pentru laseri de mare putere) a facut cunoscut laboratorul ISOTEST pe plan international si a
deschis calea pentru initierea unei colaborari, extrem de utile pentru noi, cu doua laboratoare de mare
prestigiu din domeniu: Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) din Germania si Vilnius University
(VU) din Lituania. Un prim rezultat al acestei colaborari il reprezinta confirmarea la nivel
international a acuratetei masurarilor PDCL efectuate pe Statia Automata in pulsuri de nanosecunde,
23
ca urmare a rezultatelor testului de inter-comparare a valorilor PDCL masurate pe probe de acelasi
tip in laboratoarele ISOTEST, LZH si VU (v. RC 13 din 23.09.2013).
Referinte
1. ISO 11146-1:2005, "Lasers and laser-related equipment – Test methods for laser beam widths, divegences
angles and beam propagation rations – Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams".
2. ISO 11554:2006, "Lasers and laser-related equipment – Test methods for laser beam power, energy and
temporal characteristics".
3. G. Nemes, "Optical systems and methods employing rotating cylindrical lenses/mirrors", US Patent #
6,717,745 B2, 2004.
4. G. Nemes, "Optical systems and methods employing adjacent rotating cylindrical lenses", US Patent #
7,167,321 B1, 2007.
5. C. Mittermayer and A. Steininger, "On the determination of dynamic errors for rise time measurement with
an oscilloscope", IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 1103-1107 (1999).
6. JCGM 100:2008, "Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in
measurement".
7. A. Stratan, A. Zorila, L. Rusen, S. Simion, C. Blanaru, C. Fenic, L. Neagu, G. Nemes, "Automated test
station for laser-induced damage threshold measurements according to ISO 21254-1,2,3,4 standards", Proc.
SPIE 8530, 85301Y (2012).
8. 31. G. Nemes, A. Stratan, A. Zorila, L. Rusen, "Effective area of pulsed laser spots within ISO 21254-1,2,3
standards: critical analysis, extensions, and measurements in near ultraviolet - near infrared domain", Paper
8530-72 presented at the SPIE Laser Damage Symposium XLIV: Annual Symposium on Optical Materials for
High Power Lasers, 23-26 September 2012, Boulder, CO, USA.
9. S. Simion, C. Blanaru, A. Stratan, A. Zorila, "Dispozitiv integrat in statie automata de masurare ISO a
pragului de distrugere a componentelor optice iradiate cu laser", Cerere de Brevet de Inventie OSIM nr. A
/00425 / 13.06.2012.
10. A. Zorilă, L. Rusen, A. Stratan, G. Nemeş, "Measuring the effective pulse duration of nanosecond and
femtosecond laser pulses for laser-induced damage experiments", Optical Engineering 52, 054203 (2013).
11. G. Nemes, C. Blanaru, A. Stratan, A. Zorila, L. Rusen, "Metoda de control a dimensiunii si a profilului
spatial ale spotului laser in planul tintei", Cerere de brevet de inventie OSIM nr. A / 00326 din 26.04.2013.
12. S. Simion, Ioana Dumitrache, A. Zorila, L. Neagu, L. Rusen, A. Stratan, "Controlling the number of
pulses on target in laser damage experiments, using kilohertz repetition rate pulses", Paper presented at the
International Conference "Modern Laser Applications" - INDLAS 2013, Workshop LIDT & LBC, 20-24 May
2013, Bran, Romania.
13. A. Zorilă, A. Stratan, G. Nemeş, "How not to use ISO 11146-1:2005 standard and get small relative errors
in spatial beam characterization", Paper presented at the International Conference "Modern Laser
Applications" - INDLAS 2013, Workshop LIDT & LBC, 20-24 May 2013, Bran, Romania.
14. G. Nemes, A. Stratan, A. Zorila, Ioana Dumitrache, L. Rusen, L. Neagu, "New method to diagnose spatial
laser beam parameters", Paper presented at the International Conference "Modern Laser Applications" -
INDLAS 2013, Workshop LIDT & LBC, 20-24 May 2013, Bran, Romania.
15. L. Rusen, M-R. Ioan, P. Ioan, A. Zorilǎ, I. Gruia, "Laser beam diagnosis techniques to measure changes
in gamma irradiated glasses", Paper presented at the International Conference "Modern Laser Applications" -
INDLAS 2013, Workshop LIDT & LBC, 20-24 May 2013, Bran, Romania.
16. Ioana Dumitrache, L. Neagu, L. Rusen, A. Stratan, G. Nemeş, "Change in spatial beam parameters
introduced by light shaping diffusers", Paper presented at the International Conference "Modern Laser
Applications" - INDLAS 2013, Workshop LIDT & LBC, 20-24 May 2013, Bran, Romania.
17. L.O. Jensen, H. Mädebach, J. Maula, Beneq Oy, K. Gürtler, D. Ristau, "Laser induced damage threshold
and optical properties of TiO2 and Al2O3 coatings prepared by atomic layer deposition", Proc. SPIE 8530,
853010 (2012).
18. L. Jensen; S. Schrameyer; M. Jupé; H. Blaschke; D. Ristau, "Spot-size dependence of the LIDT from the
NIR to the UV", SPIE Proc. 7504, 75041E (2009).
Director proiect Director stiintific,
Dr. George Nemes Dr. Aurel Stratan
24
ANEXA 1 Rev. 7.1/03.2013
National Institute for Laser, Plasma, and Radiation Physics (NILPRP/INFLPR)
ISOTEST Laboratory
Test Report # 25 of 21.10.13
Evaluation of laser beam widths, divergence angles, and beam propagation ratios
a) General information
1) Laboratory axes: x - transverse, horizontal; y - transverse, vertical; z - longitudinal (beam axis).
2) Test has been performed using a new method that leads to similar results with those obtained by the method
recommended by ISO 11146-1:2005, for stigmatic beams only.
3) Date of test: 21.10.13.
4) Name and address of test organization: ISOTEST Laboratory: http://ssll.inflpr.ro/isotest/index.htm;
National Institute for Lasers, Plasma, and Radiation Physics, 409 Atomistilor Str., P.O. Box MG 36,
077125, Magurele, Romania.
5) Name of individuals performing the test: Ioana Dumitrache.
b) Information concerning the tested laser
1) Laser type: Q-switched, single longitudinal mode, nanosecond laser
2) Manufacturer: Quantel
3) Manufacturer’s model designation: Brilliant B 10 SLM
4) Serial number: 0742001
c) Test conditions
1) Laser wavelength: 1064 nm
2) Operating mode (CW or pulsed): pulsed (10 Hz repetition rate)
3) Laser parameter settings:
i) Output energy: up to 450 mJ
4) Polarization: linear, vertical
5) Environmental conditions: clean filtered air, controlled temperature 23 oC 1
oC, room stray light.
d) Information concerning testing and evaluation
1) Evaluation method used: Second-order moments
2) Test equipment: Beam profiler type Newport-Ophir-SPIRICON GRAS 20, ND 2 permanent filter plus ND
1 filter attached, no stray light suppressor.
3) Beam forming optics and attenuating method:
i) Type of attenuator: power attenuator (half waveplate and polarizer @ 1064 nm wavelength); Fresnel
reflection on two uncoated flat glass wedges, near normal incidence.
ii) Type of focusing element: VariSpotTM
, uncoated, f = 1131 mm (± 1%) @ 1064 nm.
iii) From laser to the measuring bench the beam is bent at 45º by 2 mirrors and twice at small incidence angle
in the horizontal plane by two uncoated flat glass wedges.
e) Test results
25
1) Spatial parameters derived from hyperbolic fit for the round spot transformed by focusing element
Fitting equation: D4() = Dm{1 + [sin() - s0]2/r
2}
1/2; s0 = sin(0), where 0 is the angular position
corresponding to Dm. The values of the D4s spot diameters are those displayed by the beam profiler software.
Calculated parameters of the round spot after VariSpotTM
, assuming the original incoming beam is a stigmatic
beam
Spatial beam parameters Mean value Units
Relative
standard
deviation of
hyperbolic fit
Units
Round spot location, d20 1325 mm 0.1 % Minimum round spot diameter, Dm 0.36 mm 10 %
s0 = sin(0) 0.022 mm 5 %
r 0.029 mrad 10 %
Fig. 2. Hyperbolic fit of the round spot dependence measured after the VariSpotTM
as focusing element.
26
Fig. 3. Example of spatial beam profile of the real beam measured at = 1º, z = d20 = 1325 mm after the
VariSpotTM
as focusing element.
Fig. 4. Example of spatial beam profile of the real beam measured at = 8º, z = d20 = 1325 mm after the
VariSpotTM
as focusing element.
2) Retrieved* original beam parameters (beam directly from laser, before the focusing element)
Original beam approximated as a stigmatic beam
27
Spatial beam parameters Mean value Units Relative standard
deviation Units
Beam waist location, d1 7.4 x 103 mm 15 %
Beam waist diameter, D0 2.0 mm 10 % Rayleigh length, zR 1.5 x 10
3 mm 15 %
Beam divergence angle, 1.4 mrad 15 %
Beam propagation ratio, M2
2.1 - 15 %
* The original beam parameters (with subscript 1) are calculated by "back - propagation" through the focusing element of
the parameters with subscript 2, specified at e)1), using the formulae:
d1 = f(1 – f/d20)/[(1 – f/d20)2 + r
2]
zR = fr/[(1 – f/d20)2 + r
2]
D0 = Dmf/{d20[(1 – f/d20)2 + r
2]
1/2}
M2 = (/4)fDm
2/(rd20
2)
= Dm [(1 – f/d20)2 + r
2]
1/2/(rd20)
28
ANEXA 2
ISOTEST Laboratory Tel: +40-21-457-4562
http://ssll.inflpr.ro/isotest
Laser-induced damage threshold (LIDT) S-on-1 test at 1064 nm
Testers’ names: Ioana Dumitrache, Laurentiu Rusen
E-mail: ioana.dumitrache@inflpr.ro
Contents Page
1. Specimen .................................................................................................................................... 29 2. Test equipment ........................................................................................................................... 29
3. Laser parameters ........................................................................................................................ 30 4. Measurement specifications ....................................................................................................... 30
5. Environmental conditions .......................................................................................................... 30 6. Error budget ............................................................................................................................... 30 7. Temporal and spatial pulse profiles ........................................................................................... 31 8. Test results ................................................................................................................................. 32
9. Summary of LIDT values .......................................................................................................... 32 10. Recommendation for durability ............................................................................................... 33
National Institute for Laser, Plasma & Radiation Physics
409 Atomiștilor Str., P.O. Box MG-36,
077125 Mǎgurele, Romania, http://www.inflpr.ro
29
Test report # 135a of 23.10.13
Laser-induced damage threshold (LIDT) by S-on-1 test according to ISO 21254 - 1,2,3,4
Date: 23.10.13
Order #: -
1. Specimen
Type of specimen: Uncoated wedge 2º, MellesGriot
Specifications: -
Shape and size: Round, 50.8 mm diameter, [4 mm thickness]
Manufacturer/supplier: MellesGriot
Part ID # -
Date of production -
Storage: -
Cleaning procedure: Drop & drag with isopropyl alcohol and
blowing with Green clean aerosol
Mounting of test specimen: Kinematic mount, vertical position
Comments:
Typical 50x, 200x, and 500x Nomarski picture of the sample after cleaning, before test
Preliminary inspection comments: dots on surface.
2. Test equipment
Laser source
Type: Q-switched, single longitudinal mode
Manufacturer: Quantel (France)
Model #: Brilliant B 10 SLM
Energy meter
Manufacturer: Coherent, Inc.
Model #: J-25MT-10 kHz pyroelectric detector
Calibration date: 08.13
Calibration due date: 08.15
Temporal diagnosis
Photodiode Alphalas, type UPD-200-UD
Oscilloscope Tektronix, type DPO-7104
Spatial diagnosis
Beam profiler Newport-Ophir-Spiricon, type GRAS20
Diagnosis
- Pulse energy real time monitored with type J-25MT-10 kHz pyroelectric detector and calibrated by making a
measurement before the full test with type J-50MB-YAG pyroelectric detector.
- Temporal profile recorded before test. Effective pulse duration determined using waveform recorded data.
- Spatial profile recorded before test. Beam diameter/widths obtained directly from beam profiler. Effective
30
beam diameter/widths determined from beam profiler raw data.
3. Laser parameters
Wavelength: 1064 nm
Operating mode: Pulsed, repetitively
Output energy: Adjustable, up to 450 mJ
Pulse repetition frequency: 10 Hz
Polarization state: Linear, totally polarized, horizontal
Pulse duration - FWHM: 4.2 ns
Pulse duration – effective, τeff: 6.4 ns
4. Measurement specifications
Spot diameter/widths - second moments: 0.39 mm
Spot diameter/widths - 1/e2 clip level: -
Spot diameter/widths - effective: 0.20 mm
Spatial spot profile: See typical figure (Fig. 2)
Angle of incidence: 4° ± 1°
Polarization: Type P
Number of sites per specimen: 1366
Number of shots per site, S: 500
Arrangement of test sites: Near-circular, close packed
Distance between sites: 1 mm
Number of specimens tested: 1
Total number of sites for the test: 323
Real time damage detection method: Scattered radiation
Damage detection after test: Visual, Nomarski microscope (50x, 200x, 500x)
5. Environmental conditions
Test environment: Clean filtered air
Temperature: 23 °C ± 1 °C
Humidity: 35 %
6. Error budget
a) random (type A) relative errors
Pulse energy standard deviation: ± 1 %
Pulse spot effective area standard deviation: ± 5 %
Effective pulse duration standard deviation: ± 4 %
b) instrument (type B) relative standard uncertainties
Pulse energy measuring system (4 instruments overall): ± 4 %
Pulsed spot effective area uncertainty (1 instrument): ± 6 %
Effective pulse duration uncertainty (2 instruments): ± 5 %
Estimated LIDT [W/cm2] relative standard uncertainty: ± 20 %
31
7. Temporal and spatial pulse profiles
Fig. 1. Temporal profile of the laser pulse.
Fig. 2. Spatial laser spot profile in the target plane (2-D profile and two orthogonal
2-D sections through spot centroid). Effective spot area = 3.1 x 10-4
cm2.
32
8. Test results
Fig. 3. Characteristic damage curve of the sample. X – number of pulses, N (N ≤ S) for which the damage probability is calculated;
Y – threshold energy density, H(N) (J/cm2);
1 – threshold energy density at 0 % damage probability, H0(N) – experimental data;
2 – threshold energy density at 50 % damage probability, H50(N) – experimental data;
3 – H0(N) - nonlinear fit*1
;
4 – H50(N) - nonlinear fit*1
.
Fig. 4. Measured and extrapolated S-on-1 damage threshold versus number of pulses, N.
X – number of pulses, N; for N ≤ S, calculated from experimental results; for N > S, extrapolated data;
Y – threshold energy density at 0 % damage probability, H0(N) (J/cm2);
1 – experimental data;
2 –extrapolated*2
H0(N) for large number of pulses.
9. Summary of LIDT values Extrapolated 0 % LIDT for N = 10
8 pulses: energy density H0(10
8) = 33 J/cm
2.
Extrapolated power density for τeff = 6.4 ns effective pulse duration: E0(108) = H0(10
8)/τeff = 5.2 GW/cm
2.
Extrapolated equivalent*3
energy density for τeff,eq = 20 ns: H0,eq(108) = 58 J/cm
2.
Extrapolated equivalent*4
power density for τeff,eq = 20 ns: E0,eq(108) = 2.9 GW/cm
2.
33
10. Recommendation for durability The extrapolation curve for 10
8 pulses may not take into account all possible factors leading to potential
damage. We recommend an additional safety factor of approximately 0.9 applied to each of the above values. *1 Fitting equation: Hth(N) = Hd + (H1on1 – Hd)/[1 + log10(N)/delta], equation according to ISO 21254-2 Annex E *2 Fitting equation: Hth(N) = Hd – d + (H1on1 – Hd)/[1 + log10(N)/delta], equation according to ISO 21254-2 Annex E
*3 Equivalence equation used: H0,eq(108) = H0(108)·(τeff,eq /τeff)1/2
*4 Equivalence equation used: E0,eq(108) = E0(108)·(τeff /τeff,eq)1/2
Fig. 5. Example of 200x Nomarski micrograph of a damaged site
(energy density 90 J/cm2, damage after 1 pulse)
Statement related to certification of the test results
ISOTEST Laboratory certifies that the Laser Induced Damage Threshold of this sample was
tested according to recommendations of the ISO 21254-1,2,3,4:2011 standards. On April 2013
ISOTEST submitted the paperwork to obtain the accreditation as a test laboratory from Romanian
Accreditation Association (RENAR). Currently these results represent ISOTEST internal results.
This test result may not be reproduced other than in full.
This measuring result refers only to the measured specimen.
Signatures
Eng. Ioana DUMITRACHE
E-mail: ioana.dumitrache@inflpr.ro
Dr. Aurel STRATAN
E-mail: aurel.stratan@inflpr.ro
34
ANEXA 3
ISOTEST Laboratory Tel: +40-21-457-4562
http://ssll.inflpr.ro/isotest
Laser-induced damage threshold (LIDT) S-on-1 test at 1064 nm
Testers’ names: Ioana Dumitrache, Laurentiu Rusen
E-mail: ioana.dumitrache@inflpr.ro
Contents Page
1. Specimen .................................................................................................................................... 29
2. Test equipment ........................................................................................................................... 29 3. Laser parameters ........................................................................................................................ 30 4. Measurement specifications ....................................................................................................... 30 5. Environmental conditions .......................................................................................................... 30
6. Error budget ............................................................................................................................... 30 7. Temporal and spatial pulse profiles ........................................................................................... 31 8. Test results ................................................................................................................................. 32 9. Summary of LIDT values .......................................................................................................... 32
10. Recommendation for durability ............................................................................................... 33
National Institute for Laser, Plasma & Radiation Physics
409 Atomiștilor Str., P.O. Box MG-36,
077125 Mǎgurele, Romania, http://www.inflpr.ro
35
Test report # 131 of 14.10.13
Laser-induced damage threshold (LIDT) by S-on-1 test according to ISO 21254 - 1,2,3,4
Date: 14.10.13
Order #: 97/08.10.13
1. Specimen
Type of specimen: Witness Sample
Specifications: ARW_650_1050_LD1
Shape and size: Round, 25.4 mm diameter, 2 mm thickness
Manufacturer/supplier: Ophir Optics SRL, Bucharest, Romania
Part ID # B8986
Date of production 07.10.13
Storage: Original package
Cleaning procedure: Drop & drag with isopropyl alcohol and
blowing with Green clean aerosol
Mounting of test specimen: Kinematic mount, vertical position
Comments:
Typical 50x, 200x, and 500x Nomarski picture of the sample after cleaning, before test
Preliminary inspection comments: bubbles-like, dots on surface.
2. Test equipment
Laser source
Type: Q-switched, single longitudinal mode
Manufacturer: Quantel (France)
Model #: Brilliant B 10 SLM
Energy meter
Manufacturer: Coherent, Inc.
Model #: J-25MT-10 kHz pyroelectric detector
Calibration date: 08.13
Calibration due date: 08.15
Temporal diagnosis
Photodiode Alphalas, type UPD-200-UD
Oscilloscope Tektronix, type DPO-7104
Spatial diagnosis
Beam profiler Newport-Ophir-Spiricon, type GRAS20
Diagnosis
- Pulse energy real time monitored with type J-25MT-10 kHz pyroelectric detector and calibrated by making a
measurement before the full test with type J-50MB-YAG pyroelectric detector.
- Temporal profile recorded before test. Effective pulse duration determined using waveform recorded data.
- Spatial profile recorded before test. Beam diameter/widths obtained directly from beam profiler. Effective
beam diameter/widths determined from beam profiler raw data.
36
3. Laser parameters
Wavelength: 1064 nm
Operating mode: Pulsed, repetitively
Output energy: Adjustable, up to 450 mJ
Pulse repetition frequency: 10 Hz
Polarization state: Linear, totally polarized, horizontal
Pulse duration - FWHM: 5.2 ns
Pulse duration – effective, τeff: 7.4 ns
4. Measurement specifications
Spot diameter/widths - second moments: 0.38 mm
Spot diameter/widths - 1/e2 clip level: -
Spot diameter/widths - effective: 0.21 mm
Spatial spot profile: See typical figure (Fig. 2)
Angle of incidence: 4° ± 1°
Polarization: Type P
Number of sites per specimen: 245
Number of shots per site, S: 500
Arrangement of test sites: Near-circular, close packed
Distance between sites: 1 mm
Number of specimens tested: 1
Total number of sites for the test: 234
Real time damage detection method: Scattered radiation
Damage detection after test: Visual, Nomarski microscope (50x, 200x, 500x)
5. Environmental conditions
Test environment: Clean filtered air
Temperature: 22 °C ± 1 °C
Humidity: 55 %
6. Error budget
a) random (type A) relative errors
Pulse energy standard deviation: ± 1 %
Pulse spot effective area standard deviation: ± 5 %
Effective pulse duration standard deviation: ± 4 %
b) instrument (type B) relative standard uncertainties
Pulse energy measuring system (4 instruments overall): ± 4 %
Pulsed spot effective area uncertainty (1 instrument): ± 6 %
Effective pulse duration uncertainty (2 instruments): ± 5 %
Estimated LIDT [W/cm2] relative standard uncertainty: ± 30 %
37
7. Temporal and spatial pulse profiles
Fig. 1. Temporal profile of the laser pulse.
Fig. 2. Spatial laser spot profile in the target plane (2-D profile and two orthogonal
2-D sections through spot centroid). Effective spot area = 3.5 x 10-4
cm2.
38
8. Test results
Fig. 3. Characteristic damage curve of the sample. X – number of pulses, N (N ≤ S) for which the damage probability is calculated;
Y – threshold energy density, H(N) (J/cm2);
1 – threshold energy density at 0 % damage probability, H0(N) – experimental data;
2 – threshold energy density at 50 % damage probability, H50(N) – experimental data;
3 – H0(N) - nonlinear fit*1
;
4 – H50(N) - nonlinear fit*1
.
Fig. 4. Measured and extrapolated S-on-1 damage threshold versus number of pulses, N.
X – number of pulses, N; for N ≤ S, calculated from experimental results; for N > S, extrapolated data;
Y – threshold energy density at 0 % damage probability, H0(N) (J/cm2);
1 – experimental data;
2 –extrapolated*2
H0(N) for large number of pulses.
9. Summary of LIDT values Extrapolated 0 % LIDT for N = 10
8 pulses: energy density H0(10
8) = 2 J/cm
2.
Extrapolated power density for τeff = 7.4 ns effective pulse duration: E0(108) = H0(10
8)/τeff = 0.2 GW/cm
2.
Extrapolated equivalent*3
energy density for τeff,eq = 20 ns: H0,eq(108) = 3 J/cm
2.
Extrapolated equivalent*4
power density for τeff,eq = 20 ns: E0,eq(108) = 0.1 GW/cm
2.
39
10. Recommendation for durability The extrapolation curve for 10
8 pulses may not take into account all possible factors leading to potential
damage. We recommend an additional safety factor of approximately 0.9 applied to each of the above values. *1 Fitting equation: Hth(N) = Hd + (H1on1 – Hd)/[1 + log10(N)/delta], equation according to ISO 21254-2 Annex E *2 Fitting equation: Hth(N) = Hd – d + (H1on1 – Hd)/[1 + log10(N)/delta], equation according to ISO 21254-2 Annex E
*3 Equivalence equation used: H0,eq(108) = H0(108)·(τeff,eq /τeff)1/2
*4 Equivalence equation used: E0,eq(108) = E0(108)·(τeff /τeff,eq)1/2
Fig. 5. Example of 200x Nomarski micrograph of a damaged site
(energy density 28 J/cm2, damage after 2 pulses)
Statement related to certification of the test results
ISOTEST Laboratory certifies that the Laser Induced Damage Threshold of this sample was
tested according to recommendations of the ISO 21254-1,2,3,4:2011 standards. On April 2013
ISOTEST submitted the paperwork to obtain the accreditation as a test laboratory from Romanian
Accreditation Association (RENAR). Currently these results represent ISOTEST internal results.
This test result may not be reproduced other than in full.
This measuring result refers only to the measured specimen.
Signatures
Eng. Ioana DUMITRACHE
E-mail: ioana.dumitrache@inflpr.ro
Dr. Aurel STRATAN
E-mail: aurel.stratan@inflpr.ro
40
ISOTEST Laboratory Tel: +40-21-457-4562
http://ssll.inflpr.ro/isotest
Laser-induced damage threshold (LIDT) S-on-1 test at 1064 nm
Testers’ names: Ioana Dumitrache, Laurentiu Rusen
E-mail: ioana.dumitrache@inflpr.ro
Contents Page
1. Specimen .................................................................................................................................... 29 2. Test equipment ........................................................................................................................... 29 3. Laser parameters ........................................................................................................................ 30 4. Measurement specifications ....................................................................................................... 30
5. Environmental conditions .......................................................................................................... 30 6. Error budget ............................................................................................................................... 30 7. Temporal and spatial pulse profiles ........................................................................................... 31 8. Test results ................................................................................................................................. 32 9. Summary of LIDT values .......................................................................................................... 32
10. Recommendation for durability ............................................................................................... 33
National Institute for Laser, Plasma & Radiation Physics
409 Atomiștilor Str., P.O. Box MG-36,
077125 Mǎgurele, Romania, http://www.inflpr.ro
41
Test report # 134 of 21.10.13
Laser-induced damage threshold (LIDT) by S-on-1 test according to ISO 21254 - 1,2,3,4
Date: 21.10.13
Order #: 100/11.10.13
1. Specimen
Type of specimen: Biconvex lens, AR coating on both surfaces
Specifications: ARW_650_1050_LD1
Shape and size: Round, 30 mm diameter, 6 mm thickness
Manufacturer/supplier: Ophir Optics SRL, Bucharest, Romania
Part ID # B8982+8986
Date of production -
Storage: Original package
Cleaning procedure: Drop & drag with isopropyl alcohol and
blowing with Green clean aerosol
Mounting of test specimen: Kinematic mount, vertical position
Comments:
Typical 50x, 200x, and 500x Nomarski picture of the sample after cleaning, before test
Preliminary inspection comments on surface 1: lines on surface.
Preliminary inspection comments on surface 2: dots on surface.
Note: Surfaces 1 and 2 as hit by the laser beam
2. Test equipment
Laser source
Type: Q-switched, single longitudinal mode
Manufacturer: Quantel (France)
Model #: Brilliant B 10 SLM
Energy meter
Manufacturer: Coherent, Inc.
Model #: J-25MT-10 kHz pyroelectric detector
Calibration date: 08.13
Calibration due date: 08.15
Temporal diagnosis
Photodiode Alphalas, type UPD-200-UD
Oscilloscope Tektronix, type DPO-7104
Spatial diagnosis
42
Beam profiler Newport-Ophir-Spiricon, type GRAS20
Diagnosis
- Pulse energy real time monitored with type J-25MT-10 kHz pyroelectric detector and calibrated by making a
measurement before the full test with type J-50MB-YAG pyroelectric detector.
- Temporal profile recorded before test. Effective pulse duration determined using waveform recorded data.
- Spatial profile recorded before test. Beam diameter/widths obtained directly from beam profiler. Effective
beam diameter/widths determined from beam profiler raw data.
3. Laser parameters
Wavelength: 1064 nm
Operating mode: Pulsed, repetitively
Output energy: Adjustable, up to 450 mJ
Pulse repetition frequency: 10 Hz
Polarization state: Linear, totally polarized, horizontal
Pulse duration - FWHM: 4.5 ns
Pulse duration – effective, τeff: 6.4 ns
4. Measurement specifications
Spot diameter/widths - second moments: 0.39 mm
Spot diameter/widths - 1/e2 clip level: -
Spot diameter/widths - effective: 0.21 mm
Spatial spot profile: See typical figure (Fig. 2)
Angle of incidence: 4° ± 1°
Polarization: Type P
Number of sites per specimen: 276
Number of shots per site, S: 500
Arrangement of test sites: Near-circular, close packed
Distance between sites: 1 mm
Number of specimens tested: 1
Total number of sites for the test: 247
Real time damage detection method: Scattered radiation
Damage detection after test: Visual, Nomarski microscope (50x, 200x, 500x)
5. Environmental conditions
Test environment: Clean filtered air
Temperature: 23 °C ± 1 °C
Humidity: 35 %
6. Error budget
a) random (type A) relative errors
Pulse energy standard deviation: ± 1 %
Pulse spot effective area standard deviation: ± 5 %
Effective pulse duration standard deviation: ± 4 %
b) instrument (type B) relative standard uncertainties
Pulse energy measuring system (4 instruments overall): ± 4 %
Pulsed spot effective area uncertainty (1 instrument): ± 6 %
Effective pulse duration uncertainty (2 instruments): ± 5 %
Estimated LIDT [W/cm2] relative standard uncertainty: ± 20 %
43
7. Temporal and spatial pulse profiles
Fig. 1. Temporal profile of the laser pulse.
Fig. 2. Spatial laser spot profile in the target plane (2-D profile and two orthogonal
2-D sections through spot centroid). Effective spot area = 3.5 x 10-4
cm2.
44
8. Test results
Fig. 3. Characteristic damage curve of the sample. X – number of pulses, N (N ≤ S) for which the damage probability is calculated;
Y – threshold energy density, H(N) (J/cm2);
1 – threshold energy density at 0 % damage probability, H0(N) – experimental data;
2 – threshold energy density at 50 % damage probability, H50(N) – experimental data;
3 – H0(N) - nonlinear fit*1
;
4 – H50(N) - nonlinear fit*1
.
Fig. 4. Measured and extrapolated S-on-1 damage threshold versus number of pulses, N.
X – number of pulses, N; for N ≤ S, calculated from experimental results; for N > S, extrapolated data;
Y – threshold energy density at 0 % damage probability, H0(N) (J/cm2);
1 – experimental data;
2 –extrapolated*2
H0(N) for large number of pulses.
9. Summary of LIDT values Extrapolated 0 % LIDT for N = 10
8 pulses: energy density H0(10
8) = 10 J/cm
2.
Extrapolated power density for τeff = 6.4 ns effective pulse duration: E0(108) = H0(10
8)/τeff = 1.6 GW/cm
2.
Extrapolated equivalent*3
energy density for τeff,eq = 20 ns: H0,eq(108) = 18 J/cm
2.
Extrapolated equivalent*4
power density for τeff,eq = 20 ns: E0,eq(108) = 0.90 GW/cm
2.
45
10. Recommendation for durability The extrapolation curve for 10
8 pulses may not take into account all possible factors leading to potential
damage. We recommend an additional safety factor of approximately 0.9 applied to each of the above values. *1 Fitting equation: Hth(N) = Hd + (H1on1 – Hd)/[1 + log10(N)/delta], equation according to ISO 21254-2 Annex E *2 Fitting equation: Hth(N) = Hd – d + (H1on1 – Hd)/[1 + log10(N)/delta], equation according to ISO 21254-2 Annex E
*3 Equivalence equation used: H0,eq(108) = H0(108)·(τeff,eq /τeff)1/2
*4 Equivalence equation used: E0,eq(108) = E0(108)·(τeff /τeff,eq)1/2
a) b)
[ ]
Fig. 5. Example of 200x Nomarski micrograph of a damaged site
a) on surface 1 (energy density 53 J/cm2, damage after 2 pulses)
b) on surface 2 (energy density 42 J/cm2, damage after 2 pulses)
Note: Surfaces 1 and 2 as hit by the laser beam
Fig. 5. Example of 200x Nomarski micrograph of a damaged site
(energy density [22] J/cm2, damage after [1] pulse)
Statement related to certification of the test results
ISOTEST Laboratory certifies that the Laser Induced Damage Threshold of this sample was
tested according to recommendations of the ISO 21254-1,2,3,4:2011 standards. On April 2013
ISOTEST submitted the paperwork to obtain the accreditation as a test laboratory from Romanian
Accreditation Association (RENAR). Currently these results represent ISOTEST internal results.
This test result may not be reproduced other than in full.
This measuring result refers only to the measured specimen.
Signatures
Eng. Ioana DUMITRACHE
E-mail: ioana.dumitrache@inflpr.ro
Dr. Aurel STRATAN
E-mail: aurel.stratan@inflpr.ro