raport cercetare 10 - ssll.inflpr.rossll.inflpr.ro/isotest/raportari/r11.pdf1 programul operaŢional...
Post on 09-Oct-2019
6 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1
PROGRAMUL OPERAŢIONAL SECTORIAL CREŞTEREA COMPETITIVITĂŢII
ECONOMICE
AXA PRIORITARĂ 2 – COMPETITIVITATE PRIN CDI
Operaţiunea 2.1.2: "Proiecte CD de înalt nivel ştiinţific cu participarea unor
specialişti din străinătate"
Titlul / Acronimul proiectului: Facilitate pentru diagnoza de fascicul laser si
caracterizare / certificare ISO a comportarii componentelor optice / materialelor sub
actiunea fasciculelor laser de mare putere / ISOTEST.
RAPORT DE CERCETARE Nr. 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
Value Standard Error
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)
Value Standard Error
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
Fig. 3. Fitarea hiperbolica a fasciculului masurat dupa lentila de focalizare
(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).
Parametri Valoare medie Unitati Abatere standard
relativa (%)
Incertitudinea
standard estimata (%)
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).
Parametri Valoare medie Unitati Abatere standard
relativa (%)
Incertitudinea
standard estimata (%)
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).
Parametri Valoare medie Unitati Abatere standard
relativa (%)
Incertitudinea
standard estimata (%)
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
Fig. 7. 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.
Fig. 8. Fitarea hiperbolica a fasciculului masurat dupa lentila de focalizare
(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.
1.2.2. Masurarea caracteristicilor temporale si energetice de fascicul - ISO 11554
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)
1.3.1. Diagnoza spatiala de fascicul (caracteristici de propagare) – 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)
Value Standard Error
D4sx
D0 0.52805 0.00801
Z0 573.11416 2.40822
Zr 138.70767 4.03202
Value Standard Error
D4sy
D0 0.33934 0.0105
Z0 566.15453 0.95961
Zr 49.22907 1.72014
Fig. 13. Fitarea hiperbolica a fasciculului masurat dupa lentila de focalizare
(aproximat ca fascicul ASA). Parametrii de fitare: d, z0, zR.
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)
Value Standard Error
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
Fig. 14. Fitarea hiperbolica a fasciculului masurat dupa lentila de focalizare
(aproximat ca fascicul ST). Parametrii de fitare: d, z0, zR.
D4S: date experimentale;
Tabelul 9. Parametrii fasciculului original aproximat ca fascicul ASA.
Spatial beam parameters Mean
value Units
Abatere standard
relativa (%)
Incertitudinea
standard estimata (%)
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
standard estimata (%)
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
dupa lentila de focalizare.
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
1.4.1. Diagnoza spatiala de fascicul (caracteristici de propagare) – ISO11146-1
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
Hyperbolic fit of D4s
D4
s (
mm
)
z from lens (mm)
Equation y = D0*(1+((x-Z0)/Zr)^2)^(1/2)
Value Standard Error
D4s
D0 0.14306 0.00070
Z0 326.22583 0.08974
Zr 23.61702 0.13669
Fig. 17. Fitarea hiperbolica a fasciculului masurat dupa lentila de focalizare
(aproximat ca fascicul ST). Parametrii de fitare: d, z0, zR.
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
Hyperbolic fit of D4sx
Hyperbolic fit of D4sy
D4
sx,
D4sy (
mm
)
Z from lens (mm)
Equation y = D0*(1+((x-Z0)/Zr)^2)^(1/2)
Value Standard Error
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)
Value Standard Error
D4sy
D0 0.13332 0.00075
Z0 322.62239 0.08804
Zr 21.02833 0.13584
Fig. 18. Fitarea hiperbolica a fasciculului masurat dupa lentila de focalizare
(aproximat ca fascicul ASA). Parametrii de fitare: d, z0, zR.
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
dupa lentila de focalizare.
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
standard estimata (%)
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
Beam propagation ratio M2
1.07 - 1 1.7
1.4.2. Masurarea caracteristicilor temporale si energetice de fascicul - ISO 11554
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
AR coated 650 – 1064 nm
4.9 0.75 26.6 8.6 30
12 SJ 8068 GR 1426 /27 /
AR coated 650 – 1064 nm
4.7 0.73 26.8 9 30
13 Lentila biconvexa BK7
nedepusa 1427
P/N 631932 - 117
20 3.1 20 7.8 24
14 Lentila biconvexa BK7
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;
2 – Densitatea de energie la prag pentru probabilitate de distrugere 50 %, H0(N) – date experimentale;
3 – H0(N) – caracteristica fitata neliniar ;
4 – H50(N) - caracteristica fitata neliniar.
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 2 D / 930 pulsuri
Sit 3 D / 350 pulsuri
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);
1 – Densitatea de energie la prag pentru probabilitate de distrugere 0 %, H0(N) – date experimentale;
2 – Densitatea de energie la prag pentru probabilitate de distrugere 50 %, H0(N) – date experimentale;
3 – H0(N) – caracteristica fitata neliniar ;
4 – H50(N) – caracteristica fitata neliniar.
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
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.
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 %
Beam propagation ratio Mx 2
16 - 3 %
Beam propagation ratio My2
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
Hyperbolic fit of D4sx
Hyperbolic fit of D4sy
D4
sx,
D4sy (
mm
)
z from lens (mm)
Value Standard Error
D4sx
D0 7.28E-01 7.54E-03
Z0 2.92E+02 4.00E-01
Zr 2.44E+01 4.23E-01
Value Standard Error
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 %
Beam propagation ratio M2
14 - 4 %
250 275 300 325 350 375
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
D4s
Hyperbolic fit of D4s
D4
s (
mm
)
z from lens (mm)
Value Standard Error
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.
Fig. 4. Example of spatial beam profile of the real beam measured at z = 318 mm after the focusing element.
Fig. 5. Example of spatial beam profile of the real beam measured at z = 360 mm after the focusing element.
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 %
Beam propagation ratio Mx 2
16 - 3 %
Beam propagation ratio My2
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 %
Beam propagation ratio M2
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;
2 – threshold energy density at 50 % damage probability, H50(N) – experimental data;
3 – H0(N) - nonlinear fit*1
;
4 – H50(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.
Extrapolated equivalent*4
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: alexandru.zorila@inflpr.ro
Dr. Aurel Stratan
E-mail: aurel.stratan@inflpr.ro
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
58
ANEXA 3
National Institute for Lasers, Plasma, and Radiation Physics (INFLPR)
ISOTEST Laboratory
Test report # 49 of 05.03.13
Laser-induced damage threshold (LIDT) by S-on-1 test according to ISO 21254 - 1,2,3,4
Tester’s name: Alexandru Zorila
Date: 05.03.13
Order #:
Specimen
Type of specimen: AR coating
Specifications: GR1431Q
Shape and size: Round, 25.4 mm diameter, 2 mm thickness
Manufacturer/ supplier: Ophir Optics SRL, Bucharest, Romania
Part ID # SJ7796
Date of production 18.01.13
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
59
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: 532 nm
Operating mode: Pulsed, repetitively
Output energy: Adjustable, up to 200 mJ
Pulse repetition frequency: 10 Hz
Polarization state: Linear, totally polarized, horizontal
Pulse duration - FWHM: 3.1 ns
Pulse duration – effective, τeff: 3.6 ns
Measurement specifications
Beam diameter/widths - second moments: -
Beam diameter/widths - 1/e2 clip level: -
Beam diameter/widths - effective: 0.14 mm
Spatial beam profile: See typical figure (Fig. 2)
Angle of incidence (AOI): 4° ± 1°
Polarization: type P
Number of sites per specimen: 324
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: 300
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: 23 °C ± 1 °C
Humidity: 25 %
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
60
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.
61
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 = 1.6 ∙ 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;
2 – threshold energy density at 50 % damage probability, H50(N) – experimental data;
3 – H0(N) - nonlinear fit*1
;
4 – H50(N) - nonlinear fit*1
.
62
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) = 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.
Extrapolated equivalent*3
energy density for τeff,eq = 20 ns: H0,eq(108) = 18.6 J/cm
2.
Extrapolated equivalent*4
power density for τeff,eq = 20 ns: E0,eq(108) = 0.9 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 Normarski micrograph of a damaged site
(energy density [32] J/cm2, damage after [3] pulses).
63
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: alexandru.zorila@inflpr.ro
Dr. Aurel Stratan
E-mail: aurel.stratan@inflpr.ro
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
64
ANEXA 4
National Institute for Lasers, Plasma, and Radiation Physics (INFLPR) ISOTEST Laboratory
Test report # 8 of 20.03.13
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
Shape and size: Round, 25.4 mm diameter, 8 mm thickness
Manufacturer/ supplier: Ophir Optronix, Israel
Part ID # 28849; 1291; YD150311
Date of production -
Storage: Original package
Cleaning procedure: Drop & drag with isopropyl alcohol and
blowing with Green clean aerosol
Preliminary inspection comments: Lines on surface
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
65
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: 6.3 ns
Measurement specifications
Beam diameter/widths - second moments: 1.9 mm
Beam diameter/widths - 1/e2 clip level: 2.0 mm
Beam diameter/widths - effective: 1.5 mm
Spatial beam profile: See typical figure (Fig. 2)
Angle of incidence (AOI): 4° ± 1°
Polarization: Type P
Number of sites per specimen: 4
Number of shots per site, S: 1 000
Arrangement of test sites: Rectangular
Distance between sites: 6 mm
Number of specimens tested: 1
Total number of sites for the test: 4
Real time damage detection method: Scattered radiation
Damage detection after test: Visual, Nomarski microscope (50x)
Environmental conditions
Test environment: Clean filtered air
Temperature: 23 °C ± 1 °C
Humidity: 35 %
Comments
Typical 50x 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
66
Pulse energy measuring system (4 instruments overall): ± 4 %
Pulsed spot effective area uncertainty (1 instrument): ± 6 %
Effective pulse duration uncertainty (2 instruments): ± 5 %
Temporal and spatial beam profiles
Fig. 1. Temporal profile of the laser pulse.
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 = 1.7 ∙ 10-2
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
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.
This test report may not be reproduced other than in full.
The measuring result refers only to the object to be measured.
Signatures
Eng. Alexandru Zorila
E-mail: alexandru.zorila@inflpr.ro
Dr. Aurel Stratan
E-mail: aurel.stratan@inflpr.ro
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
69
ANEXA 5
National Institute for Lasers, Plasma, and Radiation Physics (INFLPR) Laser Department, ISOTEST Laboratory
Test report # 3 of 24.01.13
Laser-induced damage threshold (LIDT) by S-on-1 test according to ISO 21254 - 1,2,3,4
Testers’ names: Alexandru Zorila, Laurentiu Rusen
Date: 24.01.13
Order #:
Specimen
Type of specimen: HR Mirror
Specifications: Broadband silver mirror
Shape and size: Round, 25.4 mm diameter, 7 mm thickness
Manufacturer/ supplier: Thorlabs Inc
Part ID #
Date of production
Storage: Original package
Cleaning procedure: Blowing with Green clean aerosol
Preliminary inspection comments: OK
Mounting of test specimen: Kinematic mount, vertical position
Test equipment
Laser source
Type: Integrated Ti:Sapphire amplified laser system
Manufacturer: Clark-MXR, Inc.
Model #: CPA-2101
Energy meter
Manufacturer: Coherent, Inc.
Model #: J-10MT-10 kHz pyroelectric detector
Calibration date: 11.01.12
Calibration due date: 11.01.13
Temporal diagnosis
GRENOUILLE 8-50-USB Swamp Optics, LLC
Spatial diagnosis
Beam profiler Newport-Ophir-Spiricon, type GRAS20
Diagnosis
- Pulse energy real time monitored with type J-10MT-10 kHz pyroelectric detector and calibrated by making a
measurement before and after the full test with type J-25MT-10 kHz pyroelectric detector.
- Temporal profile recorded before and after test. Effective pulse duration calculated using waveform recorded
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.
70
Laser parameters
Wavelength: 775 nm
Operating mode: Pulsed, repetitively
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
Measurement specifications
Beam diameter/widths - second moments: -
Beam diameter/widths - 1/e2 clip level: -
Beam diameter/widths - effective: 0.2 mm
Spatial beam profile: see typical figure (Fig. 2)
Angle of incidence (AOI): 4° ± 1°
Polarization: type P
Number of sites per specimen: 370
Number of shots per site, S: 100 000
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: 200
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: 23 °C ± 1 °C
Humidity: 40 %
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: ± 2 %
Pulse spot effective area standard deviation: ± 5 %
Effective pulse duration standard deviation: ± 6 %
b) instrument (type B) standard uncertainties
Pulse energy measuring system (4 instruments overall): ± 4 %
Pulsed spot effective area uncertainty (1 instrument): ± 6 %
71
Effective pulse duration uncertainty (1 instrument): ± 4 %
Estimated LIDT [W/cm2] standard uncertainty: ± 20 %
Temporal and spatial beam profiles
Fig. 1. Temporal profile of the laser pulse.
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 = 3 ∙ 10-4
cm2.
72
Test Results
Fig. 3. Characteristic damage curve of the sample.
X – number of pulses, N (N ≤ S) for which the damage probability is calculated;
Y – threshold energy density, H(N) (J/cm2);
1 – threshold energy density at 0 % damage probability, H0(N) – experimental data;
2 – threshold energy density at 50 % damage probability, H50(N) – experimental data;
3 – H0(N) - nonlinear fit*1
;
4 – H50(N) - nonlinear fit*1
.
Fig. 4. Measured and extrapolated S-on-1 damage threshold versus number of pulses, N.
X – number of pulses, N; for N ≤ S, calculated from experimental results; for N > S, extrapolated data;
Y – threshold energy density at 0 % damage probability, H0(N) (J/cm2);
1 – experimental data;
2 – extrapolated*2
H0(N) for large number of pulses.
73
Summary of LIDT values
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.
Recommendation for durability
The extrapolation curve for 1012
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
Fig. 5. Example of 200x Nomarski micrograph of a damaged site
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: alexandru.zorila@inflpr.ro
Dr. Aurel Stratan
E-mail: aurel.stratan@inflpr.ro
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
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).
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.
E-mail: rares.medianu@inflpr.ro
- 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: mircea.udrea@apellaser.ro
Organizing Committee Coordinator
76
- Dr. Adrian Petris, NILPRP - Laser Department, P.O. Box MG-36, RO-077125, Bucharest,
Romania; E-mail: adrian.petris@inflpr.ro; indlas@inflpr.ro
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: gnemes98@hotmail.com; george.nemes@inflpr.ro
top related