Raport Cercetare 10 - ssll.inflpr.rossll.inflpr.ro/ISOTEST/Raportari/R14.pdfAXA PRIORITARĂ 2 –...

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


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.


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.


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

http://ssll.inflpr.ro/isotest/index.htm

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


Fig. 4. Example of spatial beam profile of the real beam measured at = 8º, z = d20 = 1325 mm after the

VariSpotTM


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: [email protected]

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;


3 – H0(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.


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


Dr. Aurel STRATAN


mailto:[email protected]


34

ANEXA 3






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





35

Test report # 131 of 14.10.13


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




Comments:


Preliminary inspection comments: bubbles-like, dots on surface.

2. Test equipment

Laser source




Energy meter





Temporal diagnosis



Spatial diagnosis


Diagnosis






36

3. Laser parameters

Wavelength: 1064 nm

























Humidity: 55 %

6. Error budget










37





cm2.

38

8. Test results






;


.





2 –extrapolated*2




8) = 2 J/cm

2.



2.



2.



2.

39







(energy density 28 J/cm2, damage after 2 pulses)








Signatures



Dr. Aurel STRATAN




40






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





41

Test report # 134 of 21.10.13


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




Comments:


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




Energy meter





Temporal diagnosis



Spatial diagnosis

42


Diagnosis






3. Laser parameters

Wavelength: 1064 nm

























Humidity: 35 %

6. Error budget










43





cm2.

44

8. Test results






;


.





2 –extrapolated*2




8) = 10 J/cm

2.



2.



2.



2.

45






a) b)

[ ]


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


(energy density [22] J/cm2, damage after [1] pulse)








Signatures



Dr. Aurel STRATAN




Date post:	05-Jan-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	0 times
Download:	0 times

Raport Cercetare 10 - ssll.inflpr.rossll.inflpr.ro/ISOTEST/Raportari/R14.pdfAXA PRIORITARĂ 2 –...

Documents