Raport Cercetare 10 - ssll.inflpr.rossll.inflpr.ro/ISOTEST/Raportari/R11.pdf1 PROGRAMUL OPERAŢIONAL...

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. 11/ 22.03.2012

Perioada de raportare: 18.12.2012 – 22.03.2013

2

RC 11 – CUPRINS

1. Diagnoza de fascicul laser. Masurari efectuate conform standardelor

ISO 11146-1: 2005 si ISO 11554:2006 ....................................................................... pag. 3

1.1. Diagnoza de fascicul pe sistemul laser pulsat BRILLIANT-B-10-SLM la

lungimea de unda de 532 nm (armonica a doua a fasciculului fundamental) .....pag. 3

1.1.1. Diagnoza spatiala de fascicul (caracteristici de propagare) – ISO11146-1 .............. pag. 4

1.1.2. Masurarea caracteristicilor temporale si energetice de fascicul - ISO 11554 ....... ......pag. 7

1.2. Diagnoza de fascicul pe sistemul laser pulsat SURELITE II (Continuum)

la lungimea de unda fundamemntala de 1064 nm .............................................................. pag. 13

1.2.1. Diagnoza spatiala de fascicul (caracteristici de propagare) – ISO11146-1 ............... pag. 14

1.2.2. Masurarea caracteristicilor temporale si energetice de fascicul - ISO 11554 ....... .... pag. 17

1.3. Diagnoza de fascicul pe sistemul laser CLARK CPA-2101

in pulsuri de femtosecunde (ISO11146-1) .......................................................... pag. 19

1.4. Diagnoza de fascicul pe laserul He-Ne 25-LHP-151-230 (Melles Griot)

in unda continua la lungimea de unda de 633 nm ........................................... pag. 21

1.4.1. Diagnoza spatiala de fascicul (caracteristici de propagare) – ISO11146-1................. pag. 21

1.4.2. Masurarea caracteristicilor temporale si energetice de fascicul - ISO 11554............. . pag. 23

1.4.3. Teste / masurari privind propagarea fasciculului He-Ne prin medii transparente

iradiate cu fascicule gama .............................................................................. pag. 25

2. Masurari PDCL prin testul S-on-1/ Fiabilitate-nanosecunde pe componente optice

Ophir Optics SR si Ophir Optronix, Israel (ISO 21254-2, 3) ....................................... pag. 28

2.1. Masurari S-on-1 efectuate la lungimea de unda de 1064 nm. (ISO 21254-2).... pag. 28

2.2. Masurari S-on-1 efectuate la lungimea de unda de 532 nm (ISO 21254-2)..... pag.32

2.3. Masurari Fiabilitate tip 2 pe componente Ophir Optronix (ISO 21254-3)....... pag. 23

3. Teste / masurari PDCL prin testul S-on-1 / femtosecunde (ISO 21254-2)

3.1. Implementarea sistemului de control al numarului de pulsuri laser

cu modulator electrooptic extern cu celula Pockels............................................ pag. 35

3.2. Masurari PDCL prin testul S-on-1 (ISO 21254-2) ............................................ pag. 38

3.3. Teste de stabilitate a duratei efective a pulsurilor laser ultrascurte .................... pag. 41

4. Documentatia RENAR .................................................................................................. pag. 44

5. Publicatii, diseminare ..................................................................................................... pag. 44

6. Concluzii .......................................................................................................................... pag. 44

Referinte .......................................................................................................................... pag. 45

7. ANEXE 1 -7 .......................................................................................................... pag. 46 - 76

3

Raport de Cercetare nr. 11/ 22.03.2012

In cadrul activitatilor prevazute pentru a 11-a perioada de raportare (18.12.2012 –

22.03.2013) 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 fasiculelor laser de mare putere si a

caracteristicilor de interactie fascicul laser-diferite materiale.

Realizat partial, conf. Calendar.

1. Diagnoza de fascicul laser. Masurari efectuate conform standardelor ISO 11146-1: 2005 si

ISO 11554:2006

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].

Au fost efectuate masurari de diagnoza fascicul pe patru sisteme laser:

- Sistemul laser pulsat BRILLIANT-B-10-SLM (Quantel) cu emisie pe armonica a doua optica la

lungimea de unda de 532 nm (sursa laser a Statiei Automate de masurare a PDCL cu pulsuri de

nanosecunde din laboratorul ISOTEST, INFLPR);

- Sistemul laser pulsat SURELITE-II-10 din Laboratorul de Prelucrare Fotonica a materialelor

avansate (PPAM), Sectia Laseri, INFLPR.

- Sistemul laser CLARK CPA-2101 in pulsuri de femtosecunde (ISO11146-1).

- Laserul He-Ne 25-LHP-151-230 (Melles Griot) cu emisie in unda continua la 633 nm.

1.1. Diagnoza de fascicul pe sistemul laser BRILLIANT-B-10-SLM la lungimea de

unda de 532 nm (armonica a doua a fasciculului fundamental).

Sistemul laser BRILLIANT-B-10-SLM (sursa laser din Statia Automata pentru masurarea

PDCL in pulsuri de nanosecunde) include un laser Nd:YAG in regim Q-switch model Brilliant B-

IR-10 cuplat cu un modul OP/BB/SLM care forteaza emisia laserului pe un singur mod longitudinal

(SLM). Modulul SLM contine in principal un laser dopat cu neodim pompat cu dioda laser, cuplat

4

printr-un izolator Faraday la o fibra optica, o unitate driver si o bucla electronica de reactie cu

oglinda laser montata pe un traductor piezoelectric. Semnalul laser monomod longitudinal este

injectat in rezonatorul laserului Brilliant printr-un perete lateral al rezonatorului laser Nd:YAG.

Modulul SLM reduce semnificativ largimea spectrala a fasciculului laser prin injectia unui

semnal monomod, asigurand astfel un profil temporal al pulsului laser fara modulatii de intensitate,

neted si foarte reproductibil, in concordanta cu cerintele standardului ISO 11254 privind masurarea

PDCL prin testul S-on-1. Pentru a obtine emisia laser pe armonica a doua optica, modulul

OP/BB/2WSLM pentru generarea armonicii a doua (λ = 532 nm) a fost cuplat la iesirea

rezonatorului laser al laserului Nd:YAG, asa cum se arata in Fig. 1. Modulul este stabilizat termic si

are incluse componentele pentru separarea lungimii de unda armonice de radiatia laser fundamentala.

1.1.1. Masurari de caracteristici spatiale (de propagare) (ISO 11146-1:2005)

Masurarile au fost efectuate la lungimea de unda laser de 532 nm, la frecventa nominala de

repetitie a pulsurilor laser de 10 Hz. Montajul experimental pentru masurarea parametrilor de

propagare este aratat in Fig. 1. Analizorul de fascicul laser tip GRAS 20 cu soft BeamGage

Professional si camera CCD (Spiricon - Ophir) este montat pe sina de translatie care permite

deplasarea controlata a camerei CCD pentru masurarea diametrului de fascicul definit cu momente

de ordinul doi, dσ(z), dupa lentila de focalizare ("spatiul 2"), la diferite distante de propagare z fata de

planul principal posterior al lentilei.

Asa cum am aratat in raportul de cercetare anterior, RC10, fitarea datelor experimentale cu

ecuatia recomandata de standardul ISO 11146, anume D(z) = (A + Bz + Cz2)1/2

, a dus la obtinerea

unor erori foarte mari asociate rezultatelor finale ale masurarilor (parametrii originali ai fasciculului

masurat). Ca urmare, si in acest caz am fitat datele experimentale direct cu ecuatia de propagare

D4(z) ≡ d(z) = d1 + (z - z0)2/zR

2(parametrii de fitare d, z0, z), asa cum se arata in Fig. 2 si

in Fig. 3. 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).

5

Fig. 1. Schema montajului experimental pentru masurarea parametrilor de fascicul la lungimea de unda de

532 nm pe sistemul laser BRILLIANT-B-10-SLM.

2WSLM, modul de armonica a doua cu separator fascicul armonic; DE, energimetru laser; AT, atenuatori

neutri; CCD, analizor fascicul laser montat pe sina de translatie

1000 1100 1200 1300 1400

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

D = D0(1+((z-z

0)/z

R)2)1/2

1

2

3

4

D4sx, D

4sy (

mm

)

Z from lens (mm)

Value Standard Error

D4sx D0 1.72E-01 2.88E-03

D4sx Z0 1.14E+03 2.32E-01

D4sx Zr 1.93E+01 3.43E-01


D4sy D0 1.81E-01 2.38E-03

D4sy Z0 1.19E+03 1.98E-01

D4sy Zr 2.50E+01 3.66E-01

Fig. 2. Fitarea hiperbolica a fasciculului masurat dupa lentila de focalizare

(aproximat ca fascicul ASA). Parametrii de fitare: d, z0, zR.

1: D4x, date experimentale; 2: D4y, date experimentale; 3, 4; caracteristici de propagare fitate.

2WSLM

Laser pulsat

BRILLIANT-b-SLM

Lentila de

focalizare

Atenuator

variabil

S

Fotodioda

DT CCD

Osciloscop

digital

AT

Procesor Digital

de Semnale

DE

532 nm

6

1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

1

2

D4s (

mm

)

Z from lens (mm)


D4s D0 0.25245 0.002

D4s Z0 1159.15041 0.19901

D4s Zr 31.01638 0.28716

D = D0(1+((z-z

0)/z

R)2)1/2


(aproximat ca fascicul ST). Parametrii de fitare: d, z0, zR.

1, date experimentale; 2, caracteristica de propagare fitata.

Rezultatele finale, adica parametrii fasciculului original emis de laser, sunt date in Tabelul 1

(in aproximatia de fascicul ASA) si in Tabelul 2 (in aproximatia de fascicul ST).

Tabelul 1 Parametrii fizici ai fasciculului original emis de laser (in aproximatia de fascicul ASA).

Parametri Valoare medie Unitati Abatere standard

relativa (%)

Incertitudinea

standard estimata (%)

Coordonata taliei z0x1 9500 mm 17 17

Coordonata taliei z0y1 7170 mm 12 12

Diametrul taliei dσ0x1 1.45 mm 9 9.1

Diametrul taliei dσ0y1 1.1 mm 6 6.2

Lungimea Rayleigh zRx1 1368 mm 17 17

Lungimea Rayleigh zRy1 926 mm 12 12

Divergenta unghiulara σx1 1.06 mrad 9 9.1

Divergenta unghiulara σy1 1.19 mrad 6 6.2

Factorul de merit Mx 2

2.3 - 3.8 4

Factorul de merit My2

2.0 - 3 3.3

Tabelul 2. Parametrii fizici ai fasciculului original emis de laser (in aproximatia de fascicul ST).


relativa (%)

Incertitudinea


Coordonata taliei z01 8200 mm 14 14

Diametrul taliei dσ01 1.82 mm 7 7.1

Lungimea Rayleigh zR1 1610 mm 14 14

Divergenta unghiulara σ1 1.15 mrad 7 7.1

Factorul de merit M2

3.0 - 1.8 2.3

7

Din Tabelele 1 si 2 se observa ca, si in acest caz, metoda alternativa de fitare a datelor

experimentale a condus la un nivel rezonabil al erorilor asociate (abaterea standard relativa a

parametrilor originali cuprinsa in limitele 3 % - 17 %).

1.1.2. Masurarea caracteristicilor temporale si energetice de fascicul - 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

2

1

)(

max

t

t

pk

dttS

QSP

(2)

8

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 pe

armonica a doua, la lungimea de unda de 532 nm, am utilizat urmatoarele instrumente de masura:

- 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,

9

incertitudinea calibrarii ±2 %), cuplat la un energimetru LabMax-TOP. Pentru masurarea

energiei, detectorul J-50MB-YAG (DE) a fost plasat direct in fascicul, in locul lentilei de

focalizare (v. Fig. 1).

- 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 digital Tektronix DPO 7104, banda

de frecventa 1 GHz (v. Fig. 1) .

Frecventa de repetitie, fp, a pulsurilor laser a fost determinata prin masurarea intervalului de

timp intre doua pulsuri succesive, care da perioada de repetitie, T, a pulsurilor laser. Frecventa de

repetitie fp este evaluata ca fiind inversa perioadei de repetitie T:

T

f p

1

(7)

Incertitudinea extinsa a rezultatelor masurarii a fost calculata cu ajutorul ecuatiilor (4) – (6) si

(9) – (13). Masurarile au fost efectuate la lungimea de unda laser de 532 nm, la frecventa de repetitie

nominala de 10 Hz. In Fig. 4 este aratata diagrama evolutiei energiei laser per puls (16.100 masurari

efectuate pe 16.100 de pulsuri succesive). Profilul temporal tipic S(t) al pulsurilor laser generate de

sistemul laser este aratat in Fig. 5. Analiza profilului temporal de puls a fost efectuata pe un numar

de 100 profile S(t) inregistrate de sistemul de detectie.

Fig. 4. Diagrama evolutiei energiei pulsurilor laser generate de laserul BRILLIANT B-10-SLM in armonica a

doua optica (statistica efectuata pe 16 000 masurari): energia medie per puls 199.4 mJ, abaterea standard (rms)

2.2 mJ (1.1 %); frecventa de repetitie 9.99 Hz.

10

Fig. 5. Profilul temporal al unui puls laser (armonica a doua, lungimea de unda 532 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 ~ 3 ns.

Rezultatele masurarilor sunt sintetizate in Tabelul 3 (datele experimentale) si in Tabelul 4

(rezultatele finale).

Tabelul 3. Parametrii temporali si energetici de fascicul ai oscilatorului microchip; 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 3.08 [ns] 0.4

2 τ10 6.7 [ns] 0.65

3 τR 2.2 [ns] 0.5

4 τF 3.2 [ns] 0.5

5 Smax

314 [mV] 0.45

6 2

1

)(

t

t

dttS

1.13 [nVs]

0.3

7 Ppk 55 [MW] 1.3

8 Q 199.4 [mJ] 1.1

9 fp 9.99 [Hz] 0.01

10 Pave 1.99 [W] 1.1

11

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 perioada de repetitie medie, T , a pulsurilor laser:

T

QPave

(8)

Incertitudinea extinsa asociata puterii aveP a fost dedusa din incertitudinile asociate marimilor

Q si T .

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 (2).

Eroarea introdusa de banda limitata a sistemului de detectie poate fi estimata cu relatiile de

mai jos [3]:

22

22

fdRoscRRc

RcRmasR

(9)

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 , (10)

care este aplicat rezultatului masurarii

12

HcorH F . (11)

Incertitudinea standard de tip B (de calibrare) poate fi evaluata ca fiind jumatate din corectia

aplicata [4], ca urmare incertitudinea extinsa corespunzatoare, Urel(C), este data de corectia insasi:

)1(100)[%]( FCUrel (12)

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 [3]. Pentru τR-osc = 350 ps

si τR-fd = 175 ps, din ecuatiile (9) si (10) rezulta un factor de corectie F = 0,984.

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 (13)

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 (12), pentru F = 0,984 obtinem Urel(C) = 1.6 %. Cunoscand

Urel(C), incertitudinea extinsa totala a rezultatului masurarii, Urel, se calculeaza cu ajutorul ecuatiei

(5). Pentru energia laser per puls Q, incertitudinea extinsa de calibrare este Urel(C) = 4,5 %, conform

specificatiilor detectorului J-10MT-10KHz si ale energimetrului LabMax-TOP.

Rezultatele finale ale masurarii parametrilor temporali si energetici ai fasciculului laser pulsat

emis de oscilatorul laser microchip sunt listate in Tabelul 4.

Tabelul 4. Parametrii temporali si energetici de fascicul (rezultate finale).

Nr Parametri temporali si

energetici

Rezultat

Incertitudinea extinsa

Urel

1 Durata pulsului, τH 3.0 ns ± 1.7 %

2 Puterea de varf, Ppk 55 MW ± 4.8 %

3 Energia pe puls, Q 200 mJ ± 4.5 %

4 Frecventa de repetitie a

pulsurilor, frep

9.99 Hz ± 0.01 %

5 Puterea medie de

fascicul, Pave

1.99 W ± 4.5 %

13

1.2. Diagnoza de fascicul pe sistemul laser pulsat SURELITE II (Continuum, USA)

la lungimea de unda fundamemntala de 1064 nm

Masurarile au fost efectuate in Laboratorul de Prelucrare Fotonica a materialelor avansate

(PPAM) din Sectia Laseri a INFLPR. Pentru aceasta, a fost realizat un setup portabil de diagnoza,

aratat in Fig. 6, care permite masurarea parametrilor spatiali, temporali si energetici de fascicul pe

sisteme laser situate in diferite locatii, in afara laboratorului ISOTEST. O mica fractiune din

fasciculul investigat (< 0.2 %) este dirijat spre lentila de focalizare L si analizorul de fascicul cu

camera CCD cu ajutorul a doua separatoare de fascicul SF1, SF2.

Energia laser per puls se masoara cu un detector piroelectric de mare energie (J-50MB-

YAG), DE, conectat la un monitor de energie LabMax Top. Profilul temporal al pulsurilor laser se

masoara cu o fotodioda cu siliciu, FD, tip UPD-200-UD (banda de frecventa 2 GHz), conectata la un

osciloscop digital Tektronix DPO 7104, banda de frecventa 1 GHz.

Analizorul de fascicul CCD (GRAS 20, Spiricon – Ophir) este montat pe o sina de transalatie

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.

Fig. 6. 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

A1

Osciloscop

Monitor

energie Laser A2

A2

SF2

SF1 DE

AV L

CCD

FD

ST

D1

D2

D3

D4

Setup diagnoza portabil

14

1.2.1. Diagnoza spatiala de fascicul (caracteristici de propagare) – ISO11146-1

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.

Datele experimentale obtinute se fiteaza in Origin pe ecuatia de propagare D(z) ≡ d(z) = d1 + (z -

z0)2/zR

2care descrie evolutia dimensiunilortransversale de fascicul cu distanta de propagare.

Parametrii fizici de fascicul si erorile lor relative in "spatiul 2" sunt dedusi prin fitarea datelor

experimentale. Cunoscand parametrii fizici in 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 in raportul de cercetare precedent, RC 10 / 15. 12. 2012. Masurarile au fost efectuate atat in

aproximatia de fascicul laser stigmatic ST (v. Fig. 7), cat si in aproximatia de fascicul aliniat simplu

astigmatic ASA (v. Fig. 8).

Rezultatele finale, adica parametrii fasciculului original emis de laser, sunt sintetizate in

Tabelul 5 (in aproximatia de fascicul ASA) si in Tabelul 6 (in aproximatia de fascicul ST).

Tabelul 5. Parametrii fizici ai fasciculului original emis de laser (in aproximatia de fascicul ASA).


relativa (%)

Incertitudinea


Coordonata taliei z0x1 570 mm 37 37

Coordonata taliei z0y1 2100 mm 12 12.1

Diametrul taliei dσ0x1 8.6 mm 2.2 2.6

Diametrul taliei dσ0y1 8.5 mm 3.5 3.8

Lungimea Rayleigh zRx1 3400 mm 4 4.2

Lungimea Rayleigh zRy1 3150 mm 7 7.2

Divergenta unghiulara σx1 2.5 mrad 3 3.3

Divergenta unghiulara σy1 2.7 mrad 4 4.2

Factorul de merit Mx 2

16 - 3 3.3

Factorul de merit My2

17 - 2.5 2.9

Tabelul 6. Parametrii fizici ai fasciculului original emis de laser (in aproximatia de fascicul ST).


relativa (%)

Incertitudinea


Coordonata taliei z01 3200 mm 12 12.1

Diametrul taliei dσ01 6.5 mm 5.5 5.7

Lungimea Rayleigh zR1 2200 mm 11 11.1

Divergenta unghiulara σ1 2.9 mrad 6 6.2

Factorul de merit M2

14 - 4 4.3

15



1: D4x, date experimentale; 2: D4y, date experimentale; 3, 4; caracteristici de propagare fitate.


(aproximat ca fascicul ST). Parametrii de fitare: d , z0, zR.

1, date experimentale; 2, caracteristica de propagare fitata.

16

Rezultatele de mai sus evidentiaza o functionare necorespunzatoare a laserului SURELITE II

la lungimea de unda fundamentala de 1064 nm, indicata de valorile ridicate ale unor parametri de

propagare ai fasciculului original: divergenta σ1 = 2.5 mrad – 2.9 mrad, factorul de merit M2 = 14 –

17. Mentionam ca, d.p.d.v. al caracteristicilor de propagare, acest laser face parte din aceeasi clasa cu

laserul BRILLIANT-b-SLM, avand o serie de caracteristici comune: emisie laser multimod

transversal, energie per puls ≈700 mJ, diametrul mediului laser 9 mm, durata de puls la ½ din

amplitudine ≈ 5 ns, frecventa de repetitie a pulsurilor 10 Hz. Valorile parametrilor de propagare

masurate pe sistemul laser BRILLIANT-b-SLM la lungimea de unda de 1064 nm (v. Raportul de

cercetare RC 10 /15.12.2012) au fost semnificativ mai scazute (σ1 = 1.3 mrad – 1.8 mrad, factorul de

merit M2 = 1.6 – 2.2), rezultate care atesta o functionare normala a sistemului laser. Profilul spatial

de fascicul al laserului SURELITE II masurat la doua lungimi Rayleigh de talia fasciculului

focalizat, arata o distributie foarte neomogena a densitatii de energie laser in plan transversal (aratata

in Fig. 9), in comparatie cu profilul spatial de fascicul al laserului BRILLIAT-b-SLM masurat la o

lungime Rayleigh de talie (Fig. 10).

Fig. 9. Profilul spatial de fascicul al laserului SURELITE II masurat la doua lungimi Rayleigh de talia

fasciculului focalizat cu un reductor de fascicul cu marire 1/4.

Fig. 10. Profil spatial tipic de fascicul al laserului BRILLIANT-b-SLM masurat la o lungime Rayleigh de

talie cu un reductor de fascicul cu marire 1/4.

17

Cu toate ca energia si durata pulsurilor laser la lungimea de unda de 1064 nm se incadreaza in

limite normale (asa cum se arata in paragraful urmator), profilul spatial de fascicul puternic

neomogen al laserului SURELITE II atesta un anumit grad de disfunctionalitate al uneia sau mai

multor componente laser (mediul activ, polarizor, celula Pockels oglinzi laser). Un astfel de fascicul

fundamental cu profil spatial puternic neomogen nu poate fi utilizat in continuare in etajele de

generare a fasciculelor armonice la lungimile de unda de 532 nm si 266 nm, intrucat poate distruge

componentele din aceste etaje (cristale neliniare si oglinzi dicroice).

Ca urmare, apreciem ca se impune depistarea si inlocuirea componentelor uzate din

rezonatorul laser al laserului SURELITE II.

Procedura ISO de masurare a caracteristicilor spatiale de propagare este descrisa in detaliu in

Raportul de Test # 18 din ANEAXA 1 a acestui raport de cercetare.


Parametrii temporali si energetici de fascicul definiti conform ISO 1154 au fost prezentati in detaliu

in paragraful 1.1.2. al acestui Raport. Pentru masurarea acestor parametri pe sistemul laser

SURELITE II, au fost utilizate urmatoarele instrumente de masura:

- Energia laser per puls, Q, si frecventa de repetitie a pulsurilor laser, fp, a fost masurata cu

detectorul piroelectric J-50MB-YAG –cuplat la un energimetru LabMax-TOP. (v. Fig. 6).

- 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 digital Tektronix DPO 7104, banda

de frecventa 1 GHz (v. Fig. 6) .

Incertitudinea extinsa a rezultatelor masurarii a fost calculata cu ajutorul ecuatiilor (4) – (6) si

(9) – (13). Masurarile au fost efectuate la lungimea de unda laser de 1064 nm, la frecventa de

repetitie nominala de 10 Hz. In Fig. 11 este aratata diagrama evolutiei energiei laser per puls (7400

masurari efectuate pe pulsuri succesive).

Fig. 11. Diagrama evolutiei energiei pulsurilor laser generate de laserul SURELITE II, (statistica efectuata

pe 7400 masurari): energia medie per puls 640 mJ, abaterea standard (rms) 2.6 mJ (0.5 %); frecventa de

repetitie 9.98 Hz.

18

Profilul temporal tipic S(t) al pulsurilor laser generate de sistemul laser este aratat in Fig. 12.

Analiza profilului temporal de puls a fost efectuata pe un numar de 100 profile S(t) inregistrate de

sistemul de detectie.

(a) (b)

Fig. 12. Profilul temporal al unui puls laser generat de sistemul Surelite SLII-10 (semnalul S(t) afisat pe

ecranul osciloscopului DPO 7104). (a) Profil temporal tipic (mediat pe 100 achizitii). (b)Profil temporal

mono-puls. Setari: baza de timp 5 ns/div; scala verticala 40 mV/div.

Rezultatele masurarilor sunt sintetizate in Tabelul 7 (datele experimentale) si in Tabelul 8

(rezultatele finale).

Tabelul 7. Parametrii temporali si energetici de fascicul ai oscilatorului microchip; 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 5.1 [ns] 3.2

2 τ10 13.5 [ns] 1.5

3 τR 3.3 [ns] 5.2

4 τF 7.4 [ns] 22

5 Smax

400 [mV] 1

6 2

1

)(

t

t

dttS

3.1 [nVs]

4

7 Ppk 82 [MW] 4.2

8 Q 640 [mJ] 0.5

9 fp 9.98 [Hz] 0.02

10 Pave 6.39 [W] 0.5

Incertitudinea extinsa de calibrare a parametrilor temporali Urel(C) = 1.6 % determinata de

factorul de corectie F = 0.984 (impus de banda de frecventa limitata a sistemului de detectie) au fost

determinate in paragraful 1.1.2. Cunoscand Urel(C), incertitudinea extinsa totala a rezultatului

masurarii, Urel, se calculeaza cu ajutorul ecuatiei (5). Pentru energia laser per puls Q, incertitudinea

19

extinsa de calibrare este Urel(C) = 4.5 %, conform specificatiilor detectorului J-10MT-10KHz si ale

energimetrului LabMax-TOP.

Tabelul 8. Parametrii temporali si energetici de fascicul (rezultate finale).

Nr Parametri temporali si

energetici

Rezultat

Incertitudinea extinsa

Urel

1 Durata pulsului, τH 5 ns ± 3.6 %

2 Puterea de varf, Ppk 82 MW ± 6.4 %

3 Energia pe puls, Q 640 mJ ± 4.9 %

4 Frecventa de repetitie a

pulsurilor, frep

9.99 Hz ± 0.02 %

5 Puterea medie de

fascicul, Pave

6.4 W ± 4.9 %

1.3. Diagnoza de fascicul pe sistemul laser CLARK CPA-2101 in pulsuri de

femtosecunde (ISO11146-1)


Procedura ISO de masurare a parametrilor spatiali de propagare a foat prezentata in

paragrafele 1.1.1. si 1.2.1. Masurarile au fost efectuate atat in aproximatia de fascicul laser stigmatic

ST (v. Fig. 13), cat si in aproximatia de fascicul aliniat simplu astigmatic ASA (v. Fig. 14).

Rezultatele finale, adica parametrii fasciculului original emis de laser, sunt date in Tabelul 9 (in

aproximatia de fascicul ASA) si in Tabelul 10 (in aproximatia de fascicul ST).

400 500 600 700 800 900

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

D = D0[1+((z-z

0)/z

R)2]1/2

D4sx

D4sy

Hyperbolic fit of D4sx

Hyperbolic fit of D4sy

D4sx, D

4sy (

mm

)

z from lens (mm)


D4sx

D0 0.52805 0.00801

Z0 573.11416 2.40822

Zr 138.70767 4.03202


D4sy

D0 0.33934 0.0105

Z0 566.15453 0.95961

Zr 49.22907 1.72014



D4x, date experimentale; D4y, date experimentale;

20

400 500 600 700 800 900

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

D4s

Hyperbolic fit of D4s

D4

s (

mm

)

z from lens (mm)


D4s

D0 0.44542 0.00703

Z0 567.86168 1.0371

Zr 79.91886 1.66667

D = D0[1+((z-z

0)/z

R)2]1/2



D4S: date experimentale;

Tabelul 9. Parametrii fasciculului original aproximat ca fascicul ASA.

Spatial beam parameters Mean

value Units

Abatere standard

relativa (%)

Incertitudinea


Beam waist location z01x 727 mm 14 14

Beam waist location z01y 961 mm 78 78

Beam waist width dσ01x 2.14 mm 3.5 3.8

Beam waist width dσ01y 3.9 mm 5 5.2

Rayleigh length zR1x 2275 mm 7 7.23

Rayleigh length zR1y 6415 mm 8 8.1

Beam divergence angle σ1x 1 mrad 4.5 4.7

Beam divergence angle σ1y 0.6 mrad 6 6.2

Beam propagation ratio Mx 2

2.04 - 4 4.2

Beam propagation ratio My2

2.37 - 7 7.2

Absolute astigmatic waist separation za1**

234 mm - -

Relative astigmatic waist separation zr1***

0.05 - - -

Tabelul 10. Parametrii fasciculului original aproximat ca fascicul ST.

Spatial beam parameters Mean value Units Abatere standard

relativa (%)

Incertitudinea


Beam waist location z01 800 mm 36 36

Beam waist diameter dσ01 3.13 mm 3 3.3

Rayleigh length zR1 3950 mm 5 5.2

Beam divergence angle σ1 0.8 mrad 3.5 3.8

Beam propagation ratio M2

2.51 - 4 4.2

In Fig. 15 este aratat profilul spatial de fascicul masurat la distanta de propagare z = 180 mm

dupa lentila de focalizare.

21

Fig. 15. Profilul spatial de fascicul masurat la distanta de propagare z = 180 mm


1.4. Diagnoza de fascicul pe laserul He-Ne 25-LHP-151-230 (Melles Griot)

in unda continua la lungimea de unda de 633 nm


Distributia spatiala de putere a fasciculului laser in unda continua la diferite distante de

propagare a fost masurata cu analizorul de fascicul BGP-FWB-GRAS20 cu soft BeamGage

Professional. Configuratia setup-ului experimental este aratata schematic in Fig. 16.

Fig. 16. Schema setup-ului experimental pentru masurarea caracteristicilor spatiale de propagare ale

fasciculelor laser conform ISO 11146-1:2005. S1, S2 – sine de translatie; C – analizor fascicul cu camera

CCD; L – lentila de focalizare; AT – atenuatori neutri; D1, D2, D3, D4 – absorbant fascicul; W1, W2 – pene

optice; E/P – energimetru - powermetru laser; L1, L2, L3 – laseri de masurat.

D1

C

S1

L

AT

D2

W1

W2 E/P

S2

D3

D4

L1

L2

L3

22

Datele experimentale Dx, Dy (diametre 4σ de fascicul masurate dupa lentila de focalizare la

diferie distante de propagare) au fost fitate in Origin direct pe ecuatia de propagare d(z) = d1 + (z

- z0)2/zR

2care descrie evolutia dimensiunilortransversale de fascicul cu distanta de propagare.

Masurarile au fost efectuate atat in aproximatia de fascicul laser stigmatic ST (v. Fig. 17), cat si in

aproximatia de fascicul aliniat simplu astigmatic ASA (v. Fig. 18).

200 250 300 350 400 450

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

D4s


D4

s (

mm

)

z from lens (mm)

Equation y = D0*(1+((x-Z0)/Zr)^2)^(1/2)


D4s

D0 0.14306 0.00070

Z0 326.22583 0.08974

Zr 23.61702 0.13669



D4S: date experimentale;

250 300 350 400

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

D4sx

D4sy



D4

sx,

D4sy (

mm

)

Z from lens (mm)

Equation y = D0*(1+((x-Z0)/Zr)^2)^(1/2)


D4sx

D0 0.14774 0.00150

Z0 330.40158 0.20561

Zr 25.51903 0.31233

Equation y = D0*(1+((x-Z0)/Zr)^2) (̂1/2)


D4sy

D0 0.13332 0.00075

Z0 322.62239 0.08804

Zr 21.02833 0.13584



D4x, date experimentale; D4y, date experimentale;

23

In fig. 19 este aratat profiul spatial de fascicul al laserului He-Ne masurat la distanta z = 320

mm de lentila de focalizare. Se observa ca profilul este aproape perfect circular, apropiat de profiul

ideal gaussian TEM00, fapt evidentiat si valoarea apropiata de unitate a factorului de merit M2 (v.

Tabelul 11).

Fig. 19. Profilul spatial de fascicul masurat la distanta de propagare z = 320 mm


Parametrii fasciculului original emis de laser, in aproximatia de fascicul ST, sunt dati in

Tabelul 11.

Tabelul 11. Parametrii fasciculului original aproximat ca fascicul ST.

Spatial beam parameters Mean value Units Abatere standard

relativa (%)

Incertitudinea


Beam waist location z01 1675 mm 10 10.1

Beam waist diameter dσ01 0.80 mm 5 5.2

Rayleigh length zR1 740 mm 10 10.1

Beam divergence angle σ1 1.08 mrad 5 5.2


1.07 - 1 1.7


Puterea laserului He-Ne 25-LHP-151-230 (Melles Griot) cu emisie in unda continua la lungimea de

unda de 633 nm a fost masurata cu un detector PowerMax-USB UV/VIS (Coherent) cu aplicatie

software care permite conectarea detectorului direct la PC. Caracteristicile principale ale acestui tip

de detector sunt urmatoarele:

- Elementul detector fotodioda cu siliciu;

- Domeniul spectral 325 nm – 1065 nm;

- Gama de putere masurata: 5 µW – 100 mW;

24

- Timpul de raspuns 0.1 s;

- Diametrul aperturii 10 mm;

- Incertitudinea de calibrare ± 2 %;

- Acuratetea compensarii spectrale ± 4 %;

- Lungimea de unda de calibrare 514 nm.

Puterea fasciculului laser care urmeaza sa fie determinata reprezinta valoarea medie P a cel

putin 10 masurari individuale efectuate cu un detector calibrat. Incertitudinea extinsa Urel a

rezultatului masurarii se deduce din abaterea standard experimentala, s, si din incertitudinea extinsa a

factorului de calibrare Urel(C)

2

2

2

)(4

CUP

sU relrel

(14)

Stabilitatea puterii medii de fascicul pe termen lung se determina pe o perioada de masurare

de 1 h (timpul de raspuns al detectorului trebuie sa fie ≤ 0,3 s), puterea fasciculului fiind masurata cu

o perioada de reptitie de 1 secunda. Stabilitatea relativa a puterii de fascicul se calculeza cu relatia cu

relatia [2]:

P

sP

2

(15)

Puterea medie P si stabilitatea ei, P, pentru fasciculul emis de laserul He-Ne 25-LHP-151-

230 au fost determinate pe un set de 4460 masurari efectuate cu o perioada de repetitie de 1 s.

(v. Fig. 20).

Fig. 20. Diagrama evolutiei puterii de fascicul a laserului He-Ne 25-LHP-151-230 pentru 4460 masurari

efectuate intr-un interval de timp de 80 minute.

25

Incertitudinea extinsa a masurarilor a fost calculata cu ecuatia (14), luand in considerare

incertitudinea de calibrare si acuratetea compensarii spectrale a detectorului PowerMax-USB

UV/VIS. Rezultatele finale sunt listate in Tabelul 12.

Tabelul 12. Parametrii energetici de fascicul (rezultate finale).

Nr Parametri

energetici

Rezultat

1 Puterea medie, P 7.1 mW

2 Abaterea standard

experimentala, s

4.6 µW

3 Stabilitatea puterii,

P

sP

2

0.13 %

4 Incertitudinea

extinsa Urel

4.5 %

1.4.3. Teste / masurari privind schimbarea proprietatilor optice ale sticlelor iradiate cu fascicule

gama.

Interactia radiatiilor ionizante cu matricea sticlei poate produce excitarea, ionizarea si

deplasarea atomilor constituenti. Principala modificare indusa in structura sticlei consta in creearea

de defecte stabile si in schimbari ale legaturilor de valenta in reteaua atomilor sau in impuritatile

incorporate in sticla. Unele dintre aceste configuratii electronice modificate sau defecte cauzeaza

absorbtia luminii in mod preferential. Adica sticla devine colorata si in consecinta aceste defecte se

numesc centre de culoare. Aceste centre sunt de mai multe tipuri, depinzand de compozitia sticlei, si

sunt asociate cu anumite benzi optice de absorbtie [5].

Schimbarea proprietatilor optice indusa de radiatiile ionizante in diferite tipuri de sticle a fost

investigata de numerosi autori, datorita numeroaselor aplicatii ale acestui tip de material. Primele

studii au urmarit sa previna innegrirea sticlelor utilizate in reactoare, in ferestre optice pentru camere

fierbinti si dispozitive optice [6]. Mai recent, multe studii au urmarit aplicarea colorarii sticlelor prin

iradiere pentru a dezvolta sticle colorate reciclabile, care prezinta un interes major d.p.d.v. economic

si ecologic [7]. Deasemenea, centrii de culoare indusi de radiatii ionizante in anumite tipuri de sticle

au gasit un domeniu larg de aplicatii in dozimetria radiatiilor [8]. Astfel de materiale sunt foarte

interesante pentru dozimetrie, fiind foarte utile in iradierea alimentelor, sterilizarea dispozitivelor

medicale, tratarea apelor uzate prin iradiere, etc.

26

Testele au fost efectuate pe un sort de sticla optica (BK7) utilizata in tehnologia nucleara.

Probele de test au fost iradiate cu diferite doze de radiatie si a fost studiata dependenta a doi

parametri optici de nivelul de iradiere:

- Coeficientul de absorbtie al sticlei optice la lungimea de unda de 633 nm (fascicul laser furnizat de

laserul He-Ne in unda continua 25-LHP-151-230).

- Factorul de merit M2 al fasciculului He-Ne dupa propagarea prin probele iradiate.

Probele din sticla BK7, avand un diametru de 25 mm si o grosime de 10 mm ± 1 %, au fost

iradiate cu o sursa gamma Co 60 din cadrul Departamentului de Radioizotopi si Metrologia

Radiatiilor (DRMR) din cadrul Institutului National de Fizica si Inginerie Nucleara (IFIN-HH).

Probele BK7 au fost iradiate cu diferite nivele ale dozei totale absorbite cuprinse intre 1.2 kGy si 16

kGy), rata de absorbtie a dozei fiind de 100 Gy/s. Puterea fasciculului laser transmis de probele BK7

iradiate cu diferite doze de radiatie gamma a fost masurata cu detectorul PowerMax-USB UV/VIS.

Stabilitatea relativa a puterii fasciculului furnizat de laserul 25-LHP-151-230 a fost mai buna de 0.2

%.

Coeficientul de absorbtie al sticlei BK7 la lungimea de unda de 633nm, α(γ), indus de doza

de radiatie gama absorbita poate fi definit cu ajutorul ecuatiei (valabila pentru )l << 1)

][.

)()( 1

0

0 mm

lP

PP

(16)

unde P0 este puterea fasciculului transmis de proba neiradiata, P(γ) este puterea transmisa de proba

iradiata cu o anumita doza gamma, l este grosimea probei BK7 masurata in mm.

Rezultatele masurarilor sunt sintetizate in Tabelul 13. Dependenta coeficientului de absorbtie de

doza de iradiere gamma este reprezentata grafic in Fig. 21, unde se poate vedea ca in intervalul (0

kGy - 16 kGy) de energie gamma absorbita se produce o crestere masurabila a coeficientului de

absorbtie (de la 0 mm-1

la ≈ 0,053 mm-1

), care poate evidenta doze de iradiere relativ reduse. De

exemplu, pentru o doza de 1,2 kGy si o grosime de material l = 6 mm, transmisia sticlei iradiate la

lungimea de unda de 633 nm se reduce cu 10 %. Aceste rezultate experimentale preliminare arata ca

sticla optica BK7 poate fi un material interesant in aplicatiile de dozimetrie de radiatii gamma Co 60,

pentru doze de iradiere cuprinse in intervalul kGy – zeci de kGy.

27

Tabelul 13. Coeficientul de absorbtie al sticlei BK7 vs. nivelul de iradiere gamma.

Nr.

proba

Doza iradiere gamma

[kGy]

Putere fascicul

transmis [mW]

α(γ)

[mm-1

]

1 0 7.19 0

2 1.2 6.06 0.016

3 2.3 5.86 0.018

4 4.6 4.92 0.031

5 16 3.37 0.053

0 5 10 15

0.00

0.02

0.04

0.06

m

m-1

Doza iradiere gamma [kGy]

Fig. 21. Coeficientul de absorbtie al sticlei BK7 vs. nivelul de iradiere gamma.

Factorul de merit M2 al fasciculului He-Ne dupa propagarea prin probele BK7 iradiate

gamma a fost masurat, conform procedurii ISO descrisa in paragraful 1.4.1, pentru trei nivele de

iradiere: 0 kGy; 4.6 kGy; 16 kGy. Rezultatele sunt sintetizate in Tabelul 14, unde se poate vedea o

usoara tendinta de crestere la doza maxima de iradiere, comparabila cu abaterea standard

experimentala in masurarea factorului de merit. Ca urmare, consideram ca, la acest nivel de iradiere,

factorul de merit M2

al fasciculului de 633 nm ramane practic nemodificat dupa propagarea prin

sticla iradiata.

Tabelul 14. Factorul de merit M

2 dupa propagarea prin sticla BK7 iradiata gamma.

Nr. proba Energie iradiere (kGy) Factor de merit M2

1 0 1.12

2 4.6 1.12

3 16 1.16

28

2. Masurari PDCL prin testul S-on-1/ Fiabilitate nanosecunde pe componente optice

Ophir Optics SR si Ophir Israel (ISO 21254-2, 3)

2.1. Masurari S-on-1 efectuate la lungimea de unda de 1064 nm. (ISO 21254-2)

Testele S-on-1 pentru masurarea PDCL au fost efectuate la lungimea de unda de 1064 nm pe

probe-martor de la 21 sarje de componente optice fabricate de Ophir Optics SRL in perioada ianuarie

- martie 2013. Componentele optice au fost acoperite cu depuneri dielectrice sau metalice

antireflectante de banda larga sau total reflectante in gama de lungimi de unda de 400 nm - 1100 nm.

Probele-martor au fost depuse pe substrat din sticla optica tip BK7 sau din sticla de cuart. Au fost

intocmite 21 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.

Rezultatele sunt sintetizate in Tabelul 15, 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.

Determinarea PDCL prin testul S-on-1 se realizeaza pe baza datelor furnizate de cele 9

caracteristici de probabilitate de distrugere PN(Q) ridicate experimental de algoritmul programului de

operare, unde N reprezinta numarul de pulsuri laser pentru care se calculeaza probabilitatea de

distrugere, iar Q este energia laser per puls [9]. In cazul testului S-on-1 cu pulsuri de nanosecunde, N

= 1; 2; 5; 10; 20; 50; 100; 200; 500. Pentru fiecare valoare a lui N, programul determina un set de

date experimentale {PN(Qi)} alcatuit din l puncte discrete de probabilitate de distrugere PN(Qi), l ≤ q,

unde q reprezinta numarul de intervale Qi ΔQ care acopera gama de energii per puls disponibila

experimental. Probabilitatea de distrugere PN(Qi) pentru un anumit interval Qi ΔQ se calculeaza cu

relatia

(17)

unde ntotal reprezinta numarul total de situri interogate cu energii laser incluse in intervalul [Qi

ΔQ], din care nD reprezinta numarul de situri distruse dupa aplicarea unui numar de pulsuri laser Nmin

≤ N.

total

DiN

n

nQP )(

29

Densitatea de energie laser Hmax la pragul de distrugere a probei, pentru probabilitate de

distrugere de 0% (0% PDCL (N))si de 50% (50% PDCL (N)) se evalueaza prin fitarea liniara a

setului de date {PN(Qi)}. In final, caracteristica de distrugere a probei testate (densitatea de energie

laser Hmax la pragu-l de distrugere (0% PDCL si 50% PDCL) functie de numarul de pulsuri laser

aplicate pe proba) se deduce din setul de date {0% PDCL (N)), (50% PDCL(N)}.

Masurarea PDCL prin testul S-on-1 are la baza ipoteza conform careia toate siturile de test

ale probei prezinta o comportare identica la iradierea laser. Pentru o astfel de suprafata optica

omogena, modelele teoretice care studiaza interactia laser-material indica o dependenta liniara a

probabilitatii de distrugere de energia plusurilor laser de test [10, 11]. Insa, in practica, aceasta relatie

determinista intre probabilitatea de distrugere si energia laser este afectata de o serie de surse de

erori, care sunt intrinsec legate de procedura de test:

1. Caracteristica de rezistenta in camp laser poate varia semnificativ pe suprafata probei,

fiind in primul rand determinata de starea suprafetei (fracturi, zgarieturi, defecte, contaminanti), si

apoi de proprietatile intrinseci ale materialului [12]. Intrucat omogenitatea suprafetei din punct de

vedere al pragului de distrugere laser nu poate fi testata printr-o metoda independenta, influenta

neomogenitatii suprafetei optice asupra incertitudinii rezultatului masurarii PDCL este dificil de

cuantificat. O indicatie a influentei neomogenitatii suprafetei probei asupra rezultatului masurarii

este data de incertitudinea relativa uP a fitarii parametrice, mediata pe cele 9 caracteristici de

probabilitate de distrugere PN(Q). Conform datelor publicate in literatura [13] si a rezultatelor

experimentale obtinute in cadrul testelor S-on-1 efectuate in laboratorul ISOTEST [14], valorile

uzuale ale incertitudinii uP se incadreaza de regula in limitele de 10 % - 22 %, fiind in principal

determinate de calitatea optica a componentei masurate.

2. Eroarea intrinseca a algoritmului S-on-1 cauzata de largimea 2ΔQ a intervalelor de energie

Qi ΔQ utilizate in calculul probabilitatii de distrugere (toate siturile interogate cu diferite energii

laser cuprinse intr-un interval Qi ΔQ sunt considerate ca fiind iradiate cu o aceeasi energie Qi,

energia mediana a intervalului respectiv). Considerand o distributie rectangulara de probabilitate a

acestui tip de eroare, incertitudinea standard corespunzatoare, uQ, poate fi estimata cu relatia [4]

,3Q

Qu Q

(18)

unde Q este energia per puls mediata pe toate siturile interogate in cadrul procedurii de test.

3. Fluctuatia parametrilor de fascicul laser (energia per puls (Q), aria efectiva(Aef) a spotului

laser pe suprafata de test, durata efectiva (tef) a pulsului laser), care este evaluata prin determinartea

experimentala a incertitudinilor standard de tip A respective, uQ, uA, ut. Pentru sursa laser

30

BRILLIANT-B-SLM la lungimea de unda laser fundamentala (1064 nm), valorile tipice ale acestor

marimi sunt urmatoarele: uQ = 1%; uA = 5% ; ut = 4%.

4. Erorile de calibrare ale sistemelor de masura ale parametrilor de fascicul laser, care sunt

evaluate conform incertitudinii de calibrare specificate de producator sau conform specificatiilor

tehnice, dupa cum urmeaza:

- Sistemul de masura a energiei pulsurilor laser alcatuit din doua detectoare piroelectrice tip J-50MB-

YAG si J-25-MT-10 kHz, si doua energimetre LabMax-TOP (Coherent, Inc.), caracterizat prin

incertitudinea standard de tip B, uBQ = 4 %.

- Sistemul de masura a ariei efective a spotului laser, bazat pe un analizor de fascicul laser Spiricon

Firewire type GRAS20 cu camera CCD si soft dedicat BeamGage, caracterizat prin incertitudinea

standard de tip B, uBA = 6 %.

- Sistemul de masura a duratei efective a pulsurilor laser de nanosecunde, bazat pe fotodioda rapida

UPD-200-UD (Alphalas) si osciloscopul digital DPO 7104 (Tektronix Inc.), caracterizat prin

incertitudinea standard de tip B, uBt = 5 %.

Luand in considerare sursele de eroare mentionate mai sus si experienta internationala

acumulata in testele S-on-1, o eroare absoluta de ± 25 % in masurarea PDCL atesta in general o

procedura de masurare corecta si o calitate optica rezonabila a componentei testate [15].

Incertitudinea standard relativa uF in masurarea densitatii de energie Hmax [J/cm2] a spotului

laser pe suprafata de test este data de relatia [4]:

222222

BAABQQQF uuuuuu

(19)

Incertitudinea standard relativa uE in masurarea densitatii de putere Emax [W/cm2] a spotului

laser pe suprafata de test este data de relatia:

22222222

BttBAABQQQE uuuuuuuu

(20)

Incertitudinea combinata UC (tip A + tip B) a rezultatului masurarii PDCL se estimeaza cu

ajutorul relatiei (21), atunci cand PDCL se specifica in fluenta laser [J/cm2], si cu relatia (22), pentru

PDCL exprimat in densitate de putere laser, [W/cm2].

]/[, 2222 cmJPDCLuuU FPC (21)

]/[, 2222 cmWPDCLuuU EPC (22)

31

Tabelul 15. Rezultatele masurarilor de PDCL cu fascicul laser in nanosecunde la 1064 nm.

AR: acoperire dielectrica antireflex; HR: acoperire dielectrica de mare reflectivitate. Nr

cr

Nr. Sarja/ tip

acoperire

PDCL

[J/cm2]

PDCL

[GW/cm2]

uP

[%] uQ

[%]

UC [%]

(PDCL in W/cm2)

1 SJ 7848 F1B / AR–ITO

400 nm – 1100 nm

0.44 0.07 24 5.2 30

2 SJ 7857 GR 1424,

HR 532 nm

1.8 0.28 29.8 7.5 35

3 SJ 7905 GR1426 /

AR 1064 nm

6.9 1 18 8 23

4 SJ 7910 GR 1426/27 /

AR 1064 nm

11.1 1.7 13 6 18

5 SJ 7972, TR-F-S1 /

AR 650 nm – 1100 nm

17 2.6 14 5.7 20

6 SJ 7979 GR 1430 Q /

AR 650 nm – 1100 nm

17.3 2.6 17 5 22

7 SJ7988 GR 1431

AR 1064 nm

15 2.3 23.2 3.2 25

8 SJ 8059 GR 1426 /

AR 1064 nm

6.3 0.9 22 5.2 25

9 SJ8061

AR 650 nm – 1100 nm

8.7 1.3 15.6 5.8 20

10 Menisc convex-concav /

AR coated 650 – 1064 nm

4.8 0.7 17.7 8.5 22

11 Lentila biconvexa BK7


4.9 0.75 26.6 8.6 30

12 SJ 8068 GR 1426 /27 /


4.7 0.73 26.8 9 30


nedepusa 1427

P/N 631932 - 117

20 3.1 20 7.8 24


nedepusa 1427

P/N 631932 - 117

23 3.6 10.6 5.2 16

15 SJ8063, GR1426/27

AR 650 nm – 1100 nm

7.7 1.2 22 6.2 26

16 SJ 8111 Oglinda HR

Acoperire metalica (Al)

27

mJ/cm2

4.2

MW/cm2

40 5.2 42

17 SJ8090 GR1426/27

AR 650 nm – 1100 nm

4.5 0.7 53 11 57

18 SJ8159

AR 650 nm – 1100 nm

8.7 1.3 14.4 4.3 18

19 SJ8160

AR 650 nm – 1100 nm

14 2 13 5.8 18

20 SJ8172

AR 650 nm – 1100 nm

15,2 2.2 14.6 4.5 18

21 SJxxxx

AR 650 nm – 1100 nm

19 3 19.9 4.7 24

Rezultatele testului S-on-1 obtinute pe o serie de probe martor (Nr. 8, 9,12, 15 din Tabelul 15) si

pe componente optice acoperite AR (nr. 10, 11) au evidentiat o scadere semnificativa a PDCL pentru

acoperirile dielectrice tip AR pentru infrarosu apropiat. Aceasta scadere a performantei de rezistenta

32

in camp laser a fost provocata de contaminarea unor instalati de depunere, ca urmare a unor lucrari

de renovare efectuate in vecinatatea instalatiilor de depunere. Dupa decontaminarea acestor instalatii,

valoarea PDCL a revenit la valori normale (> 2 GW/cm2), asa cum arata rezultatele obtinute pe

ultimile probe martor (Nr. 19 – 21). Un exemplu de Raport de Test (#54, SJ 8172) trimis

producatorului este dat in ANEXA 2 a prezentului raport de cercetare.

2.2. Masurari S-on-1 efectuate la lungimea de unda de 532 nm (ISO 21254-2)

Testul S-on-1 a fost aplicat pe doua tipuri de componente furnizate de Ophir Optics: un

substrat nedepus din sticla de cuart si o proba martor pentru o acoperire AR pentru vizibil.

Rezultatele celor doua teste sunt sintetizate in Tabelul 16.

Tabelul 15. Rezultatele testului S-on-1 cu fascicul laser in nanosecunde la 532 nm.

AR: acoperire dielectrica antireflex; Nr

cr

Nr. Sarja/ tip

acoperire

PDCL

[J/cm2]

PDCL

[GW/cm2]

uP

[%] uQ

[%]

UC [%] (PDCL in W/cm

2)

1 SJ 7796 GR1431Q

AR 400 nm – 700 nm

7.9 2.2 12.3 7 18

2 Sample #4

Sticla de cuart

19.5 5.4 25 7 30

Caracteristica de distrugere laser a substratului din sticla de cuart determinata experimental

prin procedura automata S-on-1 este aratata in Fig. 22.

Fig. 22. Caracteristica S-on-1 de distrugere a substratului de sticla de cuart.

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;


3 – H0(N) – caracteristica fitata neliniar ;

4 – H50(N) - caracteristica fitata neliniar.

33

Micrografia unui sit al substratului de sticla de cuart distrus la nivelul de fluenta laser de 42

J/cm2 este aratata in Fig.23. Profilul spotului laser focalizat pe suprafata probei de test este aratat in

Fig. 24.

Fig.23. Micrografia Nomarski (marire 200x) a unui sit distrus dupa doua pulsuri

la fluenta laser de 42 J/cm2

Fig.24. Profilul spotului laser focalizat pe suprafata probei de test.

Rezultatele detaliate privind testarea probei martor SJ 7796 (acoperire AR) sunt date in Raportul

de Test #49 din ANEXA 3 a prezentului raport.

2.3. Masurari Fiabilitate tip 2 pe componente Ophir Optronix, Israel (ISO 21254-3)

Compania Ophir Optronix din Israel, producatoare cunoscuta de componente optice, a solicitat o

testare a fiabilitatii in camp laser pentru 6 probe de tip acoperire metalica (aluminiu) depuse pe

substrat de sticla optica sau de aluminiu. Acoperirile metalice erau protejate impotriva oxidarii prin

depunerea unui strat exterior de SiO2. Producatorul a specificat urmatorii parametri de test:

34

- Densitatea de putere a pulsurilor laser (Assurance level): 50 MW/cm2 la o durata de puls de

20 ns. Prin scalare cu durata pulsului laser dupa cunoscuta dependenta τ1/2

[16], a rezultat un

nivel echivalent de iradiere de 92 MW/cm2 la o durata de puls de 6.3 ns;

- Numar de pulsuri laser aplicate per sit: 1000;

- In eventualitatea distrugerii, inregistrarea numarului de pulsuri care au distrus situl.

Conform recomandarilor standardului ISO 21254-3, testul de fiabilitate tip 2 a fost efectuat cu un

spot laser de arie mare (diametrul efectiv de spot 1.5 mm), avand un profil spatial fara modulatii

semnificative, apropiat de profilul ideal rectangular, asa cum se arata in Fig. 25. Acest tip de profil a

fost obtinut cu un sistem optic cu zoom tip Varispot [17] , realizat cu doua lentile cilindrice cu

distanta focal de 1 m. Au fost testate 4 situri pe fiecare proba, dispuse in configuratie rectangulara in

zona centrala a probelor. Separarea intre doua situri adiacente a fost de 6 mm.

Fig.25. Profilul spatial al spotului laser pe suprafata probei de test.

Rezultatele testelor de fiabilitate sunt sintetizate in Tabelul 16.

Tabelul 16. Rezultate teste fiabilitate pe acoperiri metalice. ND, sit nedistrus; D, sit distrus.

Nr. Cod proba/ tip substrat Stare sit / nr. De pulsuri Rezultatul testului

1 Acoperire Al. NA231211 /

Substrat sticla Sit 1 ND

Sit 2 ND

Sit 3 ND

Sit 4 ND

Trecut

2 Acoperire Al. NA231211 /

Substrat Al. Sit 1 ND

Sit 2 D / 2 pulsuri

Sit 3 ND

Sit 4 D / 960 pulsuri

Cazut

3 Acoperire Al. YC150411 /

Substrat sticla Sit 1 D / 5 pulsuri

Sit 2 D / 5 pulsuri

Sit 3 D / 8 pulsuri

Sit 4 D / 5 pulsuri

Cazut

35

4 Acoperire Al. YC150411 /

Substrat Al

Sit 1 D / 4 pulsuri

Sit 2 D / 4 pulsuri

Sit 3 D / 4 pulsuri

Sit 4 D / 5 pulsuri

Cazut

5 Acoperire Al. NB251012 IDEA /

Substrat Al.

Sit 1 ND



Sit 4 ND

Cazut

6 Acoperire Al. YD150311 /

Substrat Al.

Sit 1 D / 2 pulsuri

Sit 2 D / 2 pulsuri

Sit 3 D / 2 pulsuri

Sit 4 D / 2 pulsuri

Cazut

Au fost trimise producatorului Ophir Optronix 6 rapoarte privind rezultatele testului de

fiabilitate tip 2 (ISO 21254-3) aratate mai sus. Un exemplu de Raport de Test este aratat in ANEXA

4 a prezentului raport.

3. Masurari PDCL prin testul S-on-1 (ISO 21254-2) efectuate pe statia automata in

pulsuri de femtosecunde.

3.1. Implementarea sistemului de control al numarului de pulsuri laser cu un modulator

electrooptic extern cu celula Pockels.

Necesitatea modificarii sistemului de control al numarului de pulsuri aplicate pe proba a fost

relevata pe durata testelor preliminare efectuate in cadrul Activitatii 2.5 privind masurarea PDCL pe

Statia Automata in pulsuri de femtosecunde. Pana in prezent, pentru controlul numarului de pulsuri

aplicate pe proba de test in procedura S-on-1, unitatea DSP din Statia Automata comanda sistemul T-

bridge al sursei laser CLARK 2101, care intrerupe efectiv si apoi reia emisia trenului de pulsuri laser

ultrascurte. Regimul intermitent de emisie al sursei laser in pulsuri de femtosecunde induce insa o

anumita instabilitate a energiei individuale a trenului de pulsuri laser aplicat pe proba, fapt care

afecteaza acuratetea rezultatelor masurarii PDCL. Ca urmare, in cadrul proiectului ISOTEST a fost

dezvoltat un circuit de interfata intre unitatea DSP a statiei automate, sursa laser CLARK 2101 si

unitatea driver (controler) a unui modulator electrooptic cu celula Pockels. Circuitul permite

controlul numarului de pulsuri laser aplicate pe proba de test cu ajutorul modulatorului electrooptic

cu celula Pockels, fara a opri efectiv emisia sursei laser CLARK 2101. Sistemul de control al

numarului de pulsuri este aratat schematic Fig. 26.

Celula Pockels cu cristal KD*P (fosfat dihidrogenat de potasiu deuterat) functioneaza pe baza

efectului electrooptic liniar (Pockels). Acest effect consta in rotatia directiei de polarizare a unui

fascicul laser polarizat liniar care se propaga prin cristal pe directia axei optice (axa z) a cristalului, la

36

aplicarea unei diferente de potential dealungul acestei axe. Marimea unghiului de rotatie depinde de

orientarea directiei de polarizare a fasciculului in fata de axele cristalografice x, y ale cristalului si de

marimea diferentei de potential aplicate.

Fig. 26. Schema sistemului de control al numarului de pulsuri laser aplicate in testul S-on-1cu modulator

electrooptic extern.

LS, lama semiunda; BS, cub separator fascicul; OB, obturator fascicul; P, polarizor; O1, O2, oglinzi de mare

reflectivitate la lungimea de unda laser de 775 nm

Daca polarizarea fascicului incident este orientata paralel cu una din axele cristalografice ale

cristalului KD*P, atunci, prin aplicarea unei diferente de potential specifice, numita tensiunea de

semiunda Vλ/2, polarizarea fasiculului la iesirea din cristal este rotita cu 90o fata de cea a fasciculului

incident. Pentru cristalul KD*P, tensiunea de semiunda este Vλ/2 = 3 kV la lungimea de unda de 775

nm.

Lama semiunda LS permite orientarea polarizarii fasciculului laser dupa o directie paralela cu

o axa cristalografica a cristalului KD*P. Fara tensiune aplicata pe celula Pockels, fasciculul este

blocat de polarizorul P, care are directia de polarizare incrucisata cu cea a fasciculului laser. La

aplicarea tensiunii Vλ/2 pe celula Pockels, polarizarea fasciculului laser este rotita cu 90o si, ca

urmare, fasciculul trece fara pierderi prin polarizor spre setup-ul experimental.

Dezavantajul prezentat de regimul de lucru intermitent al sistemului laser CPA 2101,

controlat prin unitatile DSP si T-bridge, este ilustrat in Fig. 27, unde este inregistrata evolutia

energiei laser per puls dupa comutarea (deschiderea) emisiei laser, pentru o secventa de 4000 pulsuri

succesive. Se observa ca, la reluarea emisiei laser, exista un regim tranzitoriu in care se produce o

Circuit de

interfata

P

UNITATE

ELECTRONICA

DE CONTROL

DT- 505

SURSA ALIMENTARE

ORC - 1000

UNITATE LASER UNITATE DE

CONTROL

TEMPERATURA

T- BRIDGE

LS

BS

OB Pockels

Driver

Pockels

O 1

O 2

STATIE AUTOMATA

TEST S-on-1

DSP

SURSA LASER

CPA-2101

37

tendinta de scadere a energiei individuale a pulsurilor laser. Aceasta variatie a energiei laser per puls

poate perturba derularea procedurii automate S-on-1, deoarece apar diferente intre energia per puls

setata de program si energia masurata, care ajunge efectiv pe tinta. Acest neajuns este ilustrat si de

histograma trenului de 4000 pulsuri din Fig. 28a, care arata o "deriva" evidenta a valorii energiei

individuale. In contrast cu acest regim de lucru, controlul numarului de pulsuri aplicat pe tinta cu

modulatorul extern cu celula Pockels, elimina regimul intermitent al emisiei laser, cu consecinte

benefice asupra stabilitatii energiei laser per puls. Acest aspect este ilustrat in Fig. 28b de histograma

unui tren de 4000 pulsuri inregistrate dupa deschiderea celulei Pockels. Se observa ca marea

majoritate a pulsurilor laser au energia grupata intr-un interval strans de valori, in contrast cu

distibutia aratata in Fig. 27a.

Fig. 27. Diagrama evolutiei energiei individuale a pulsurilor laser la reluarea emisiei laserului CPA 2101.

(a) (b) Fig. 28. Histograma energiei individuale a unui tren de 4000 pulsuri laser. (a) Dupa reluarea emisei laserului

CPA 2101; (b) Dupa deschiderea celulei Pockels.

Diagrama evolutiei energiei individuale a pulsurilor laser dupa deschiderea celulei Pockels este aratata in

Fig. 29. Se observa ameliorarea stabilitatii energiei individuale a pulsurilor laser, dupa eliminarea regimului

de emisie intermitenta a laserului CPA 2101.

38

Fig. 29. Diagrama evolutiei energiei individuale a pulsurilor laser dupa deschiderea celulei Pockels.

3.2. Masurari PDCL prin testul S-on-1/ femtosecunde (ISO 21254-2)

Testul S-on-1 pe Statia Automata in pulsuri de femtosecunde a fost efectuat pe o proba tip oglinda

metalica de mare reflectivitate PF20-03-P01 de banda larga (acoperire cu argint protejat, producator

Thorlabs Inc). Setup-ul de masurare al Statiei Automate in pulsuri de femtosecunde pentru testul S-

on-1 este aratat in Fig. 30. Rezultatele masurarii sunt sintetizate in caracteristica S-on-1 de distrugere

a probei testate, aratata in Fig. 31. Aceasta caracteristica a fost determinata pe baza datelor furnizate

de cele 9 caracteristici de probabilitate de distrugere PN(Q) ridicate experimental de algoritmul

programului de operare pentru 9 valori discrete ale numarului de pulsuri laser pentru care se

calculeaza probabilitatea de distrugere: N = 10; 30; 100; 300; 1000; 3000; 10 000; 30 000; 100 000.

Caracteristica P30(Q) este aratata in Fig. 32.

In final, prin extrapolarea caracteristicii H0(N) din Fig.31 pentru un numar foarte mare de

pulsuri (N = 1012

), se obtine nivelul de anduranta al densitatii de energie (fluenta) laser:

- 0 % PDCL [J/cm2] extrapolat pentru un numar mare ( N = 10

12) pulsuri: densitatea de energie

H0(1012

) = 110 m J/cm2.

- 0 % PDCL [W/cm2] extrapolat pentru un numar mare ( N = 10

12) pulsuri: densitatea de putere

E0(1012

) = 420 GW/cm2 la o durata de puls τeff = 350 fs.

In Testul S-on-1 cu pulsuri de femtosecunde, numarul maxim de pulsuri aplicate per sit este

semnificativ mai mare (S = 100 000), fata de testul cu pulsuri de nanosecunde, unde S = 500.

Aceasta diferenta este dictata de diferenta semnificativa intre frecventele de repetitie ale celor doua

surse laser de test: 2000 Hz la femtosecunde, fata de 10 Hz la nanosecunde.

39

Fig. 30. Setup-ul de masurare al procedurii ISO S-on-1 in pulsuri de femtosecunde.

CI – circuit de interfata; DCP –driver celula Pockels; HV – puls de inalta tensiune; MCP – modulator cu

celula PockelsL – lama semiunda; P – polarizor ; D – absorbant fascicul; SH – obturator fascicul laser; M1 –

M4 – oglinzi de banda larga; DDS – detector de sit distrus; L – lentila de focalizare; SF1, SF2 – separator

fascicul ; G 8-50 USB – dispozitiv GRENOUILLE 8-50-USB; LC – lentila cilindrica; DS – detector profil

spatial de fascicul; ME1, ME2 – detector energie puls laser; DSP – procesor digital de semnale; XY – sistem

de translatie motorizat.

Rezultatele detaliate ale testului sunt date in Raportul de Test #3 (femtosecunde) din ANEXA

5 a prezentului raport.

Pentru oglinda PF20-03-P01 producatorul specifica un prag de distrugere de 3 J/cm2 la durate

de puls FWHM de 10 ns, 10 Hz frecventa de repetitie si lungime de unda laser 1064 nm. Pentru a

compara aceasta data de catalog cu rezultatul experimental obtinut prin testul S-on-1, trebuie

efectuata o scalare cu durata si lungimea de unda a pulsurilor laser.

Atenuator variabil

L

P

XY

G 8-50 USB

DSP

DDS

ME

1

ME2

DS

SF1

M3

SH

L SF2

Laser CLARK Model CPA-2101 600 µJ @ 775 nm

300 fs; frecv. rep. 2 kHz

PC

D

M4

M1

CI

DCP MCP

M2

HV

LC

40

Fig.31. Caracteristica S-on-1 de distrugere a oglinzii metalice PF20-03-P01

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);



3 – H0(N) – caracteristica fitata neliniar ;

4 – H50(N) – caracteristica fitata neliniar.

Fig. 32. Caracteristica de probabilitate de distrugere P30(Q) a oglinzii PF20-03-P01 ridicata

experimental de programul de operare S-on-1.

41

Date experimentale obtinute pe oglinzi metalice testate la diferite durate de puls cuprinse

intre 100 fs si 1 ns arata ca, in intervalul 1 ns – 100 ps PDCL scade cu scaderea duratei de puls dupa

cunoscuta lege τ1/2

, unde τ reprezinta raportul duratelor de puls [16]. Ca urmare, un prag de 3 J/cm2

la 10 ns durata de puls si lungime de unda de 1064 nm poate fi considerat echivalent cu un prag de

300 mJ/ cm2 la o durata de puls de circa 100 ps, la aceeasi lungime de unda. Deasemenea in

intervalul 100 ps – 0.4 ps se produce o scadere lenta a pragului (de 1,3-1,4 ori la 0.4 ps), adica pragul

scade la o valoare de aprox. 200 mJ/ cm2 pentru o durata FWHM de puls de 0.37 ps utilizata in testul

S-on-1 efectuat pe proba PF20-03-P01.

In domeniul spectral vizibil – infrarosu apropiat, scalarea PDCL cu lungimea de unda laser se

poate aproxima printr-o dependenta liniara de raportul lungimilor de unda [18]. Deci, un prag de 200

mJ/ cm2 la lungimea de unda laser de 1064 nm este echivalent cu un prag de circa 140 mJ/ cm

2 la

775 nm. Acest rezultat dedus prin scalarea datelor de catalog este in concordanta cu determinarea

PDCL efectuata pe Statia Automata: 110 mJ /cm2 PDCL extrapolat din datele experimentale pentru

un numar mare de pulsuri (nivelul de anduranta al fluentei laser).

NOTA: Concordanta intre performanta PDCL a produsului PF20-03-P01 specificata

de producatorul Thorlabs Inc. si valoarea PDCL masurata reprezinta o atestare a functionarii

corecte a procedurii ISO de masurare „S-on-1” implementata pe Statia Automata in pulsuri de

femtosecunde.

3.3. Teste de stabilitate a duratei efective a pulsurilor laser ultrascurte

In etapa de raportare precedenta, monitorizarea profilului temporal al pulsurilor laser generate

de sursa laser CLARK CPA 2101 efectuata cu dispozitivul GRENOUILLE 8-50-USB a evidentiat un

anumit grad de instabilitate a formei si a duratei acestor pulsuri. Doua surse potentiale de instabilitate

a formei pulsurilor de femtosecunde au fost luate in considerare:

- Dezalinierea sau deteriorarea partiala a unei componente optice din etajele de putere ale sistemului

laser CLARK CPA2101(amplificatorul regenerativ sau compresorul temporal).

- Profilul spatial eliptic al fasciculului laser, care nu permite o adaptare optima a marimii spotului

laser pe apertura camerei CCD a dispozitivului GRENOUILLE 8-50-USB sau o anumita

nereproductibilitate a programului software QuickFrog privind functionarea algoritmului iterativ de

reconstituire a profilului temporal de puls din datele inregistrate in amprenta FROG masurata de

dispozitiv.

Ca urmare, au fost efectuate o serie de verificari, reglaje si modificari ale setup-ului

experimental pentru a ameliora stabilitatea parametrilor de fascicul laser si reproductibilitatea

procesului de masurare a caracteristicilor temporale ale pulsurilor ultrascurte, dupa cum urmeaza:

42

- Au fost efectuate o serie de reglaje optice pe sistemul laser CLARK CPA 2101 care au urmarit

optimizarea functionarii amplificatorului regenerativ si a compresorului temporal de puls. Ca urmare,

a fost obtinuta o emisie laser stabila la un nivel de peste 1 W putere medie de fascicul, care este un

indicator al functionarii sistemului laser la parametri energetici nominali. Stabilitatea energiei laser

per puls a fost masurata cu un detector piroelectric J-10MT-10 kHz (ME, asa cum se arata in Fig.

33) pe un esantion de 100 000 pulsuri laser succesive. A rezultat o abatere standard relativa de numai

2.2 %, care confirma deasemenea stabilitatea energetica a emisiei laser.

Fig. 33. Evolutia energiei laer per puls masurata pe o secventa de 100 000 pulsuri succesive.

- A fost corectata elipticitatea profilului spatial al fasciculului laser incident pe apertura camerei

CCD a dispozitivului GRENOUILLE cu ajutorul unei lentile cilindrice cu distanta focala de 1 m

pozitionata la o distanta de 300 mm de apertura de intrare a dispozitivului. Profilul spatial eliptic

necorectat (fara lentila clindrica) si cel corectat cu lentila cilindrica, vizualizate pe camera CCD a

dispozitivului sunt aratate in Fig. 34a si respectiv in Fig34b. Profilul corectat are o elipticitate redusa

semnificativ si un diametru de circa 2,2 mm pe apertura CCD.

(a) (b)

Fig. 34. Profile spatiale de fascicul masurate cu camera CCD a dispozitivului GRENOUILEE.

(a) Profilul de fascicul necorectat; (b) Profilul corectat cu lentila cilindrica.

43

In continuare, in conditiile mentionate mai sus, am efectuat un set de 8 masurari ale duratei

efective a pulsurilor laser ultrascurte, aplicand procedura de masurare descrisa in Raportul de

Cercetare RC2 / 16.12.2010. Masurarile au fost efectuate pe 8 trase FROG achizitionate cu un timp

de expunere de 5 ms la diferite momente de timp, cu o perioada de 1 minut. Rezultatele masurarilor

(durata efectiva si durata FWHM de puls cu abaterile standard aferente), care sunt sintetizate in

Tabelul 17 de mai jos, au evidentiat o stabilitate rezonabila a acestor caracteristici temporale. Nu au

fost constatate variatii semnificative ale formei pulsurilor laser. Un profil temporal de puls

reconstituit de algoritmul QuickFrog este aratat in Fig. 35.

Tabelul 17. Caracteristici temporale ale pulsurilor ultrascurtegenerate de sistemul CPA 2101.

Nr. Trasa FROG Durata efectiva

teff [fs]

Durata FWHM

t1/2 [fs]

1 354 376

2 345 370

3 339 368

4 351 377

5 350 370

6 358 380

7 375 385

8 349 376

Durata medie fsteff 352~

fst 375~

2/1

Abaterea

standard

3 % 1.5 %

Fig. 35. Profilul temporal al pulsurilor laser generate de sistemul CLARK CPA 2101

44

Activitate 2.6. Initierea procesului de acreditare RENAR pentru proceduri ISO privind

caracterizarea comportarii materialelor si diagnoza de fascicul. Realizat partial, conf. Calendar.

1. A fost refacuta, redactata si completata documentatia RENAR dupa cum urmeaza:

1.1. Proceduri de lucru: PL-ISOTEST-10 ÷ PL-ISOTEST-13;

1.2. Proceduri de sistem: PS- ISOTEST-01 ÷ PS- ISOTEST-12;

1.3. Formulare asociate procedurilor;

1.4. Manualul pentru managementul calitatii (MMC) .

2. Obtinerea asigurarii de raspundere civila profesionala.

Activitate 4. Informare şi publicitate privind proiectul. Realizat partial, conf. Calendar.

1. Actualizare pagina web.

2. In perioada ianuarie-martie 2013 s-au efectuat demersuri pentru organizarea unui workshop de

o zi, cu tematica aferenta proiectului ISOTEST, respectiv Laser-Induced Damage si Laser Beam

Characterization (LID&LBC). Scopul acestui eveniment stiintific este de a disemina la nivel national

si international rezultatele obtinute pana in prezent la proiectul ISOTEST si de a gasi colaboratori

potentiali la activitatea viitoare a laboratorului ISOTEST, dupa terminarea proiectului.

Principala problema, rezolvata cu succes, a fost gasirea unor personalitati din strainatate, bine

cunoscute in domeniile mai sus mentionate, care sa accepte sa prezinte cate o lectie invitata in

domeniile respective, in perioada workshopului. De asemenea, a fost nevoie de corelarea desfasurarii

workshopului cu a unei conferinte de prestigiu tinuta in tara, care sa permita atat o audienta sustinuta,

cat si un cadru organizatoric atractiv. In prezent aspectele organizatorice au fost rezolvate. S-au

definitivat atat data workshopului LID&LBC, cat si lista participantilor invitati si a lectiilor invitate

ce vor fi tinute. Toti participantii invitati si-au confirmat participarea. Detaliile sunt prezentate in

ANEXA 6 a acestui raport de cercetare, in limba engleza, asa cum au fost prezentate invitatilor si

completate conform ultimei runde de comunicari cu participantii invitati.

3. - Una lucrare publicata: 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).

- Una lucrare trimisa spre publicare la revista Optical Engineering: A. Zorilă, L. Rusen, A.

Stratan, G. Nemeş, “Measuring the effective pulse duration of nanosecond and femtosecond laser

pulses for laser-induced damage experiments” .

45

Concluzii

Apreciem ca au fost indeplinite activitatile prevazute pentru perioada de raportare 18.12.2012

–22.03.2013. Pana in prezent nu sunt de semnalat factori care ar putea intarzia derularea planificata a

activitatilor proiectului.

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. 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).

4. JCGM 100:2008, "Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in

measurement” "

5. R. Yokota, "Colour centres in alkali silicate glasses containing alkaline earth ions"

Phys. Rev. 101, 522 (1956).

6. 1. C.D. Marshall, J.A. Speth, S.A. Payne, "Induced optical absorption in gamma, neutron and

ultraviolet irradiated fused quartz and silica", J. Non-Cryst. Solids 212, 59 (1997).

7. 2. J. Sheng, K. Kadono, Y. Utagawa, T. Yazawa, "X-ray irradiation on the soda-lime container

glass", Appl. Radiat. Isotop. 56, 61 (2002).

8. 3. Ary de A. Rodrigues Jr., Linda V.E. Caldas, "Commercial plate window glass tested as a

routine dosimeter at a gamma irradiation facility", Radiat. Phys. Chem. 63, 765 (2002).

9. ISO 21254-2:2011, " –Part 2: Threshold determination".

10. E.G. Gamaly, A.V. Rode, B. Luther-Davies, V.T. Tikhonchuk, "Ablation of solids by

femtosecond lasers: Ablation mechanism and ablation thresholds for metals and dielectrics", Phys.

Plasmas 9, 949-957 (2002).

11. S. Nolte, C. Momma, H. Jacobs, A. Tünnermann, B.N. Chichkov, B. Wellegehausen, H. Welling,

"Ablation of metals by ultrashort laser pulses", JOSA B 14, 2716-2722 (1997).

12. Laurence, T. A., Bude, J. D., Ly, S., Shen, N., Feit, M. D., "Extracting the distribution of laser

damage precursors on fused silica surfaces for 351 nm, 3 ns laser pulses at high fluences (20-150

J/cm2)", Opt. Express 20, 11561-11573 (2012).

46

13. K. Starke, T. Gross, D. Ristau, W. Riggers, J. Ebert, "Laser-induced damage threshold of optical

components for high repetition rate Nd:YAG lasers", Proc. SPIE 3578, 584-593 (1990).

14. 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", Paper 8530-80 presented at the SPIE Laser Damage Symposium XLIV: Annual

Symposium on Optical Materials for High Power Lasers, 23-26 September 2012, Boulder, CO, USA;

Proc. SPIE 8530, 85301Y (2012).

15. C.J. Stolz, D. Ristau, M. Turowski, H. Blaschke, Thin Film Femtosecond Laser Damage

Competition, Boulder Damage Symposium, Boulder, CO, United States, 21-23 September 2009,

https://e-reports-ext.llnl.gov/pdf/382702.pdf

16. B. C. Stuart, M. D. Feit, S. Herman, A. M. Rubenchik, B. W. Shore, M. D. Perry, "Optical

ablation by high-power short-pulse lasers", J. Opt. Soc. Am. B 13(2), 459-468 (1996).

17. G. Nemes, "Optical systems and methods employing adjacent rotating cylindrical lenses", US

Patent No. 7167321, (2007).

18. H. Kouta, "Wavelength dependence of repetitive-pulse laser-induced damage threshold in β-

BaB2O4"Appl. Opt.38, 545-547 (1999).

Director proiect Director stiintific,

Dr. George Nemes Dr. Aurel Stratan

https://e-reports-ext.llnl.gov/pdf/382702.pdf

47

ANEXA 1 Rev. 7.1/03.2013

National Institute for Laser, Plasma, and Radiation Physics (NILPRP/INFLPR)

ISOTEST Laboratory

Test Report # 18 of 05.03.13

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 in accordance to ISO 11146-1:2005.

The four mixed second-order moments <xy>, <xv>, <yu>, <uv> of the full 4 x 4 beam matrix of ISO 11146-

2:2005 were not measured. The intrinsic beam invariants and the intrinsic classification specified at e)1)ii) are

based on the measurements done independently in x and y, and not on measuring the full 4 x 4 matrix of

second-order moments (see also ISO/TR 11146-3:2004 standard and G. Nemes' references therein).

3) Date of test: 05.03.13.

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: Alexandru Zorila, Laurentiu Rusen.

b) Information concerning the tested laser

1) Laser type: Q-switch Nd:YAG nanosecond laser

2) Manufacturer: Continuum Electro – Optics Inc., USA

3) Manufacturer’s model designation: Surelite SLII-10

4) Serial number: 6774

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 640 mJ

4) Polarization: linear, horizontal (>95%)

5) Environmental conditions: no special precautions, regular experimental room, 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: Fresnel reflection on two uncoated flat glass wedges, near normal incidence.

ii) Type of focusing element: plano convex lens, CVI type PLCX-50.8-130.8.-UV 670-1064, f = 290 mm (±

0.5%) @ 1064 nm.

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

48

iii) From laser to the measuring bench the beam is bent twice at small incidence angle in the horizontal plane

by two uncoated flat glass wedges.

e) Test results

1) Spatial parameters derived from hyperbolic fit for the beam transformed after focusing element (quantities with subscript 2, in accordance with Clause 9)

i) Measured parameters of the real beam approximated as an aligned simple astigmatic (ASA) beam

Spatial beam parameters Mean value Units

Relative standard

deviation of

hyperbolic fit

Units

Beam waist location z02x 292 mm 0.2 %

Beam waist location z02y 301 mm 0.1 %

Beam waist width dσ02x 0.73 mm 1 %

Beam waist width dσ02y 0.68 mm 1 %

Rayleigh length zR2x 24.5 mm 2 %

Rayleigh length zR2y 20.2 mm 2 %

Beam divergence angle σ2x 30 mrad 2 %

Beam divergence angle σ2y 34 mrad 2 %


16 - 3 %


17 - 3 %

260 280 300 320 340 360 380

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

D = D0(1+((z-z

0)/z

R)2)1/2

D4sx

D4sy



D4

sx,

D4sy (

mm

)

z from lens (mm)


D4sx

D0 7.28E-01 7.54E-03

Z0 2.92E+02 4.00E-01

Zr 2.44E+01 4.23E-01


D4sy

D0 6.80E-01 6.42E-03

Z0 3.02E+02 1.91E-01

Zr 2.02E+01 2.84E-01

Fig. 1. Hyperbolic fit of the real beam measured after the focusing element and approximated as an ASA

beam.

ii) Intrinsic beam invariants and classification

Effective beam propagation ratio invariant: Meff4 = Mx

2My

2 = 270

Intrinsic astigmatism invariant: a = (1/2)(Mx2 – My

2)

2 = 0.5

Maximum intrinsic astigmatism invariant: aM = (1/2)(Mx2My

2 – 1)

2 ≈ 36000

Beam class (intrinsic stigmatic - IS, or intrinsic astigmatic - IA)*: IS

Beam family (type I, II, III, or IV): type II (0 = a < aM)

Note: Using non-aberrated spherical and cylindrical optics the beams can be transformed only within

the same class and family.

49

*For 0 ≤ a/Meff4 ≤ 0.005 the beam is considered IS. For a/Meff

4 ≥ 0.005 the beam is considered IA. Note that ISO 11146 – 3 is less

restrictive, considering the beam is IS for a/Meff4 ≤ 0.039.

iii) Calculated parameters of the real beam approximated as a stigmatic beam*

Spatial beam parameters Mean value Units

Relative standard

deviation of

hyperbolic fit

Units

Beam waist location z02 308 mm 0.1 %

Beam waist diameter dσ02 0.51 mm 2 %

Rayleigh length zR2 13.6 mm 2 %

Beam divergence angle σ2 38 mrad 3 %


14 - 4 %

250 275 300 325 350 375

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

D4s


D4

s (

mm

)

z from lens (mm)


D4s D0 5.08E-01 8.31E-03

D4s Z0 3.08E+02 1.57E-01

D4s Zr 1.36E+01 2.75E-01

D = D0(1+((z-z

0)/z

R)2)1/2

Fig. 2. Hyperbolic fit of the real beam measured after the focusing element

Fig. 3. Example of spatial beam profile of the real beam measured at z = 294 mm after the focusing element.

50

* The values of the D4s beam diameters are those displayed by the beam profiler software.



51

2) Retrieved* original beam parameters (beam directly from laser, before the focusing element)

i) Original beam approximated as an ASA beam

Spatial beam parameters Mean value Units Standard deviation Units

Beam waist location z01x 570 mm 37 %

Beam waist location z01y 2100 mm 12 %

Beam waist width dσ01x 8.6 mm 3 %

Beam waist width dσ01y 8.5 mm 4 %

Rayleigh length zR1x 3400 mm 5 %

Rayleigh length zR1y 3100 mm 7 %

Beam divergence angle σ1x 2.5 mrad 3 %

Beam divergence angle σ1y 2.7 mrad 4 %


16 - 3 %


16.9 - 3 %

Absolute astigmatic waist separation za1**

1500 mm 22 %

Relative astigmatic waist separation zr1***

0.46 - 25 %

ii) Original beam approximated as a stigmatic beam

Spatial beam parameters Mean value Units Standard deviation Units

Beam waist location z01 3200 mm 12 %

Beam waist diameter dσ01 6.5 mm 6 %

Rayleigh length zR1 2200 mm 11 %

Beam divergence angle σ1 3 mrad 6 %


14 - 4 %

* 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: z01 = V2(z02 – f) + f; dσ1 = Vdσ2; zR1 = V

2zR2; σ1 =

(1/V)σ2; V= f/[zR22 + (z02 – f)

2]

1/2

** za1 = |z0x1 – z0y1|

***zr1 = 2∙za1/(zR1x + zR1y)

52

ANEXA 2

National Institute for Lasers, Plasma, and Radiation Physics (INFLPR)

ISOTEST Laboratory

Test report # 54 of 14.03.13

Laser-induced damage threshold (LIDT) by S-on-1 test according to ISO 21254 - 1,2,3,4

Tester’s name: Alexandru Zorila

Date: 14.03.13

Order #:

Specimen

Type of specimen: AR coating

Specifications: ARW 650-1050-LD

Shape and size: Round, 25.4 mm diameter, 2 mm thickness

Manufacturer/ supplier: Ophir Optics SRL, Bucharest, Romania

Part ID # SJ8172

Date of production 13.03.13

Storage: Original package

Cleaning procedure: Drop & drag with isopropyl alcohol and

blowing with Green clean aerosol

Preliminary inspection comments: OK

Mounting of test specimen: Kinematic mount, vertical position

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: 11.01.12

Calibration due date: 11.01.13

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 and after the full test with type J-50MB-YAG pyroelectric detector.

- Temporal profile recorded before and after test. Effective pulse duration calculated using waveform recorded

53

data.

- Spatial profile recorded before and after test. Beam diameter/widths obtained directly from beam profiler.

Effective beam diameter/widths calculated from beam profiler raw data.

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: 4.6 ns

Pulse duration – effective, τeff: 6.1 ns

Measurement specifications

Beam diameter/widths - second moments: -

Beam diameter/widths - 1/e2 clip level: -

Beam diameter/widths - effective: 0.23 mm

Spatial beam profile: See typical figure (Fig. 2)

Angle of incidence (AOI): 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: 260

Real time damage detection method: Scattered radiation

Damage detection after test: Visual, Nomarski microscope (50x, 200x, 500x)

Environmental conditions

Test environment: Clean filtered air

Temperature: 24 °C ± 1 °C

Humidity: 35 %

Comments

Typical 50x, 200x, and 500x Nomarski picture of the sample after cleaning, before test

Error budget

a) random (type A) errors

Pulse energy standard deviation: ± 1 %

Pulse spot effective area standard deviation: ± 5 %

Effective pulse duration standard deviation: ± 4 %

b) instrument (type B) standard uncertainties

54

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] standard uncertainty: ± 18 %

Temporal and spatial beam profiles

Fig. 1. Temporal profile of the laser pulse.

55

Fig. 2. Spatial laser beam profile in the target plane (2-D profile and two orthogonal

2-D sections through beam centroid). Effective spot area = 4.2 ∙ 10-4

cm2.

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

;


.

56

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.

Summary of LIDT values

Extrapolated 0 % LIDT for N = 108 pulses: energy density H0(10

8) = 15.2 J/cm

2.

Extrapolated power density for τeff = [6.3] ns effective pulse duration: E0(108) = H0(10

8)/τeff = 2.2 GW/cm

2.

Extrapolated equivalent*3

energy density for τeff,eq = 20 ns: H0,eq(108) = 26 J/cm

2.


power density for τeff,eq = 20 ns: E0,eq(108) = 1.3 GW/cm

2.

Recommendation for durability

The extrapolation curve for 108 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 ISO21254-2 Annex E *2 Fitting equation: Hth(N) = Hd – d + (H1on1 – Hd)/[1 + log10(N)/delta], equation according to ISO21254-2 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 24 J/cm2, damage after 1 pulse)

57

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. During 2013 ISOTEST will

submit the paperwork to obtain the accreditation as a test laboratory from Romanian Accreditation

Association (RENAR). Currently these results represent ISOTEST internal results.

Signatures

Eng. Alexandru Zorila

E-mail: [email protected]

Dr. Aurel Stratan


INFLPR, Laser Department, ISOTEST Laboratory

Atomistilor 409 P.O.Box MG-36,

077125 Magurele, ROMANIA

Tel: +40-21-457-4562

http://ssll.inflpr.ro/isotest

mailto:[email protected]



58

ANEXA 3

National Institute for Lasers, Plasma, and Radiation Physics (INFLPR)

ISOTEST Laboratory



Tester’s name: Alexandru Zorila

Date: 05.03.13

Order #:

Specimen

Type of specimen: AR coating

Specifications: GR1431Q


Manufacturer/ supplier: Ophir Optics SRL, Bucharest, Romania

Part ID # SJ7796

Date of production 18.01.13






Test equipment

Laser source




Energy meter





Temporal diagnosis



Spatial diagnosis


Diagnosis




59

data.



Laser parameters

Wavelength: 532 nm















Number of shots per site, S: 500

Arrangement of test sites: Near-circular, close packed





Damage detection after test: Visual, Nomarski microscope (50x, 200x, 500x)




Humidity: 25 %

Comments


Error budget






60







61



cm2.

Test Results







;


.

62








Extrapolated 0 % LIDT for N = 108 pulses: energy density H0(10

8) = 7.9 J/cm

2.

Extrapolated power density for τeff = 3.6 ns effective pulse duration: E0(108) = H0(10

8)/τeff = 2.2 GW/cm

2.


energy density for τeff,eq = 20 ns: H0,eq(108) = 18.6 J/cm

2.


power density for τeff,eq = 20 ns: E0,eq(108) = 0.9 GW/cm

2.


The extrapolation curve for 108 pulses may not take into account all possible factors leading to potential


*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 Normarski micrograph of a damaged site

(energy density [32] J/cm2, damage after [3] pulses).

63






Signatures



Dr. Aurel Stratan





Tel: +40-21-457-4562





64

ANEXA 4

National Institute for Lasers, Plasma, and Radiation Physics (INFLPR) ISOTEST Laboratory


Type 2 Test for assurance of the energy density (power density) handling capability

according to ISO 21254

Testers’ names: Alexandru Zorila, Laurentiu Rusen

Date: 20.03.2013

Order #:

Specimen

Type of specimen: Metallic mirror, aluminum substrate

Specifications: Protected aluminum coating


Manufacturer/ supplier: Ophir Optronix, Israel

Part ID # 28849; 1291; YD150311

Date of production -




Preliminary inspection comments: Lines on surface


Test equipment

Laser source




Energy meter





Temporal diagnosis



Spatial diagnosis


Diagnosis




65

data.



Laser parameters

Wavelength: 1064 nm








Beam diameter/widths - second moments: 1.9 mm

Beam diameter/widths - 1/e2 clip level: 2.0 mm




Polarization: Type P


Number of shots per site, S: 1 000

Arrangement of test sites: Rectangular





Damage detection after test: Visual, Nomarski microscope (50x)




Humidity: 35 %

Comments

Typical 50x Nomarski picture of the sample after cleaning, before test

Error budget






66








cm2.

67

Test procedure

Test type: Type 2

Assurance level:

0.58 J/cm2, 92 MW/cm

2 @ 6.3 ns

(equivalent to 50 MW/cm2 @ 20 ns)

Area of assurance level: 6.8 ∙ 10-2

cm2

Test Results

Failed. Damage was observed on all sites after 2 pulses:

Fig. 3. Example of 50x Normarski micrograph of several damaged sites.

68






This test report may not be reproduced other than in full.

The measuring result refers only to the object to be measured.

Signatures



Dr. Aurel Stratan





Tel: +40-21-457-4562





69

ANEXA 5

National Institute for Lasers, Plasma, and Radiation Physics (INFLPR) Laser Department, ISOTEST Laboratory



Testers’ names: Alexandru Zorila, Laurentiu Rusen

Date: 24.01.13

Order #:

Specimen

Type of specimen: HR Mirror

Specifications: Broadband silver mirror


Manufacturer/ supplier: Thorlabs Inc

Part ID #

Date of production


Cleaning procedure: Blowing with Green clean aerosol



Test equipment

Laser source

Type: Integrated Ti:Sapphire amplified laser system

Manufacturer: Clark-MXR, Inc.

Model #: CPA-2101

Energy meter





Temporal diagnosis

GRENOUILLE 8-50-USB Swamp Optics, LLC

Spatial diagnosis


Diagnosis


measurement before and after the full test with type J-25MT-10 kHz pyroelectric detector.


data.



70

Laser parameters

Wavelength: 775 nm


Output energy: Adjustable, up to 500 µJ

Pulse repetition frequency: 2 kHz

Polarization state: Linear, totally polarized, vertical

Pulse duration - FWHM: -

Pulse duration – effective, τeff: 360 fs





Spatial beam profile: see typical figure (Fig. 2)




Number of shots per site, S: 100 000

Arrangement of test sites: near-circular, close packed




Real time damage detection method: scattered radiation

Damage detection after test: visual, Nomarski microscope (50x, 200x, 500x)


Test environment: clean filtered air


Humidity: 40 %

Comments


Error budget








71

Effective pulse duration uncertainty (1 instrument): ± 4 %





2-D sections through beam centroid). Effective spot area = 3 ∙ 10-4

cm2.

72

Test Results







;


.







73


Extrapolated 0 % LIDT for N = 1012

pulses: energy density H0(1012

) = 110 mJ/cm2.

Extrapolated power density for τeff = 360 fs effective pulse duration: E0(1012

) = H0(1012

)/τeff = 420 GW/cm2.


The extrapolation curve for 1012

pulses may not take into account all possible factors leading to potential


Fig. 5. Example of 200x Nomarski micrograph of a damaged site






Signatures



Dr. Aurel Stratan





Tel: +40-21-457-4562





74

ANEXA 6

Draft 7 of 19.03.2013

One-Day mini-Symposium/Workshop on Laser-Induced Damage and

Laser Beam Characterization

This year, the newly-formed ISOTEST Laboratory of the National Institute for Laser, Plasma, and

Radiation Physics (NILPRP), Bucharest, Romania, is finalizing a three-year project for developing a

facility for laser-induced damage (LID) measurements in optical materials and components, and in

implementing methods for laser beam characterization (LBC), using recommended ISO standards

procedures (http://ssll.inflpr.ro/isotest/index.htm). Two automated stations for LID threshold

measurements were developed, using nanosecond and femtosecond pulses, respectively, and

currently are performing R&D-type tests on various optical components. Classical, as well as new

LBC methods were implemented as R&D results. ISOTEST Laboratory is interested in exchanging

know-how, performing joint tests and inter-comparisons, and involving interested people in this kind

of R&D activity (especially young researchers and PhD students).

A one-day mini-Symposium/Workshop on Laser-Induced Damage and on Laser Beam

Characterization will be held on Wednesday, 22 May 2013, as part of the Section Laser Metrology

and Testing of the 3-rd International Conference "Modern Laser Applications" INDLAS 2013

(http://indlas.inflpr.ro/index.html), to be held in Bran, Romania, 20-24 May 2013. Five invited

speakers will attend the LID&LBC mini-Symposium/Workshop and will give six lectures (new

advancements in the field and tutorials) covering LID and LBC subjects. Contributed papers in the

same fields are expected and are welcome.

Title: Mini-Symposium/Workshop on Laser-Induced Damage and Laser Beam Characterization

(LID&LBC).

Goal: Bringing together people involved in the fields of Laser-Induced Damage (LID) and Laser

Beam Characterization (LBC).

Length, date, venue: 1 day, on 22 May 2013, part of the Section Laser Metrology and Testing

within the 3-rd International Conference "Modern Laser Applications", INDLAS 2013, Bran,

Romania, 20-24 May 2013 (see: http://indlas.inflpr.ro/index.html). The venue of the Conference is

Vila Bran (www.vilabran.ro).

Type of papers: Oral invited papers presenting the state of the art, or reviewing new results, or

giving tutorials in these fields; oral and poster contributed papers.

Invited, oral presentation: typical 40-45 min. + 5 min. Q&A.

Contributed, oral presentation: typical 15-20 min. + 3 min. Q&A.

Poster: special poster session on LID&LBC (approximately 1 – 1.5 hour).

Invited speakers (as of 19 Mar. 2013):

Prof. Alexis Kudryashov, Moscow State Open University, and Director on Science and

General Manager, Active Optics NightN Ltd., Moscow, Russia (confirmed).

Assoc. Prof. Andrius Melninkaitis, Vilnius University, and CEO LIDARIS, Vilnius,

Lithuania (confirmed).

Dr. Klaus Mann, Head of Dept. Optics/Short Wavelengths, Laser-Laboratorium Göttingen,

Germany (confirmed).

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

http://indlas.inflpr.ro/index.html

http://indlas.inflpr.ro/index.html

http://www.vilabran.ro/index.php?schimba_limba=2

75

Dr. Lars Jensen, Head of Characterization Group, Laser Components Dept., Laser Zentrum

Hannover, Germany (confirmed).

Dr. George Nemes, Head of ISOTEST Laboratory, NILPRP Bucharest, Romania, and

President, ASTiGMATTM

, Sacramento, CA, USA (confirmed).

Tentative round table discussion on LID and LBC (moderator George Nemes, ISOTEST Lab.):

sample roughness measurements; sample cleaning, manipulation, storage before LIDT measurement;

influence of polishing technology on LIDT; how reproducible is a result of measuring the LIDT of

"identical samples" with different stations having "similar characteristics"? Discussion on new

methods to measure laser beam spatial parameters. Choosing fitting parameters and the errors'

propagation – is the ISO 11146 correct?

Publishing the contributions: The abstract of the contributions will be published in the Preliminary

Program of the Conference. The invited papers and selected contributions will be published in an ISI

quoted journal. However, the authors may consider submitting their contributions to any journal they

consider appropriate.

Invited lectures (as of 19 Mar. 2013)

- Alexis Kudryashov, invited lecture with subject on LBC. Title: "Laser beam characterization with

M2 meter and wavefront sensors".

- Andrius Melninkaitis, invited lecture with subject on LID. Tentative title: "Statistical effects in

laser damage testing" (final title to be announced).

- Klaus Mann, invited lecture with subject on LBC. Title: "Laser beam characterization and thermal

wavefront distortions in optical components".

- Lars Jensen, invited lecture with subject on LID. Title: "Measurement of defect driven laser-

induced damage".

- Team ISOTEST, Bucharest (presented by George Nemes), "Automated stations for LIDT

measurements according to ISO 21254-1,2,3,4 standards, using nanosecond and femtosecond

pulses".

- George Nemes, "Characterizing laser beams in general and laser spots for LID experiments on

targets - a comparison."

INDLAS 2013 Schedule (as of 19 March 2013)

Mo. 20 May: Afternoon – Registration open. Receiving participants. Evening: Welcome party.

Tu. 21 May: Morning – Official INDLAS 2013 opening. Current sessions – full day.

We. 22 May: LID&LBC mini-symposium/workshop – full day.

Th. 23 May: No session. Round-trip to Sighisoara. Other leisure activities.

Fr. 24 May: Morning – Current sessions. Afternoon – Closing session.

Note: Registration will be open each day of the INDLAS 2013 Conference.

Contacts:

INDLAS Conference Chairmen - Dr. Rares V. Medianu, Institute of Atomic Physics, NILPRP - Laser Department, P.O. Box MG-36,

RO-077125, Bucharest, Romania; Tel:+40-21-457-4467 x 2004.


- Dr. Mircea Udrea, Apel Lasers S.R.L., Bd. Constructorilor nr. 20A, Corp A, Etaj 2, Sector 6,

060512, Bucharest, Romania; Tel: +40-21-317-0910; E-mail: [email protected]

Organizing Committee Coordinator



76

- Dr. Adrian Petris, NILPRP - Laser Department, P.O. Box MG-36, RO-077125, Bucharest,

Romania; E-mail: [email protected]; [email protected]

Mini-Symposium/Workshop LID&LBC Coordinator

- Dr. George Nemes, ISOTEST Laboratory, NILPRP, Bucharest, Romania, and ASTiGMATTM

,

Sacramento, CA, USA. Tel (ISOTEST Lab): +40-21-457-4562; Mobile: +40-72-965-7039;

E-mail: [email protected]; [email protected]

Date post:	09-Oct-2019
Category:	Documents
Upload:	others
View:	5 times
Download:	0 times

Raport Cercetare 10 - ssll.inflpr.rossll.inflpr.ro/ISOTEST/Raportari/R11.pdf1 PROGRAMUL OPERAŢIONAL...

Documents