INFLPR

Sectia Laseri

RAPORT DE CERCETARE Nr. 6 / 16.12.2011

Proiect ISOTEST - POSCCE 2.1.2

In cadrul activitatilor de dezvoltare experimentala si cercetare industriala prevazute

pentru a 6-a perioada de raportare (16.09.2011 – 15.12.2011) au fost obtinute urmatoarele

rezultate:

Activitatea 1.5. Proiectarea si realizarea sistemului software-hardware de operare automata si

de achizitie / procesare semnale (durata: lunile 3 – 13) – Realizat partial.

A fost realizata platforma hardware / software a unitatii DSP (Digital Signal Processor),

aratata in Fig. 1 pentru operarea automata a procedurii ISO "S-on 1" de masurare a pragului de

distrugere a componentelor optice in camp laser. Unitatea DSP este alcatuita in principal din:

sursa de alimentare in curent continuu (+ 24 V, ±5 V, +12 V), cartela DDS (Damage Detecting

System) pentru detectia in timp real a distrugerii sitului interogat cu fascicul laser, unitatea

centrala FPGA ALTERA DEO, cartela I/O, modulul convertor USB-Serial UART. Pe panoul din

fata sunt dispuse display-ul alfa-numeric LCD 2 linii x 16 caractere si elementele de actionare /

indicare, iar pe panoul din spate sunt dispuse conectoarele pentru cuplarea cu elementele

periferice de executie.

Fig. 1. Unitatea DSP.

Unitatea FPGA contine toate componentele necesare pentru a fi folosita in conjunctie cu

un computer care opereaza sub sistemul Microsoft Windows. Cartela I/O realizeaza interfatarea

dintre unitatea centrala FPGA si elementele periferice de executie (DDS, ADC, X, Y, α, DDS

COMP, Laser, OF, Proba, DDS Power, Sursa 24V, USB, RS232, CUSTOM), catre display-ul

alfa-numeric (LCD Display) si elementele de actionare / indicare de pe panoul fata (P1-P4, LED-

urile D1-D7).

Softul DSP comunica urmatoarele instructiuni cu perifericele:

- comanda si controlul meselor de translatie / rotatie motorizate (X-stage, Y-stage / α-

stage) pentru pozitionarea tintei, respectiv reglajul energiei laser;

- monitorizarea circuitelor SMC-11 add pentru detectia semnalelor asociate limitatoarelor

de referinta de pe fiecare masa de translatie / rotatie;

- monitorizarea tensiunii de curent continuu de +24 V pentru alimentarea motoarelor de

actionare a meselor de translatie / rotatie, cu functionare in regim de comanda locala sau

de la distanta;

- prelucrarea semnalelor furnizate de circuitul DDS (detectia sitului distrus);

- comanda sincrona a semnalelor I/O provenind de la laser (LASER), obturatorul de

fascicul (OF), intrerupatorul de urgenta (STOP);

- detectia prezentei probei test (TEST) sau false (DUMMY);

Pe parcursul dezvoltarii instalatiei a devenit necesara dezvoltarea in paralel a unui

program software, denumit "DSP Stand-alone Configuration", capabil sa efectueze comanda si

controlul perifericelor, independent de calculatorul PC. Aceste comenzi si interogari sunt absolut

necesare in etapele de verificare / testare / mentenanta a sistemelor periferice. Spre deosebire de

soft-ul DSP de baza, unde comenzile si interogarile sunt trimise de catre PC, in programul "DSP

Stand-alone Configuration" comenzile sunt introduse de la panoul frontal al dispozitivului DSP.

Platforma hardware / sofware a DSP este descrisa pe larg in Anexa 1 prezentului raport de

cercetare.

Activitatea 2.1. Montajul si testarea sub-sistemelor instalatiei automate. (durata: lunile 14 – 19)

– Realizat partial.

Au fost efectuate teste preliminare de masurare a pragului de distrugere a componentelor

optice in camp laser intens, in conformitate cu procedura ISO "S-on-1". Derularea procedurii S-

on-1 este optimizata prin utilizarea unui algoritm de operare in timp real (descris in Anexa 2 a

Raportului de Cercetare nr. 3) care optimizeaza procesul de interogare a probei testate, astfel

incat minimizarea incertitudinii in determinarea pragului de distrugere a probei sa fie obtinuta cu

un numar minim de situri interogate.

Algoritmul stabileste energia laser de test pentru un nou sit pe baza evaluarii siturilor

interrogate anterior privind energia de test, starea sitului (distrus sau nedistrus) si numarul de

pulsuri laser incidente per sit. Dupa incheierea secventei de interogare a probei, programul

evalueaza probabilitatea de distrugere a probei PN(Q), Q energia pulsului laser incident, pentru N

pulsuri aplicate per sit. Sunt evaluate 9 caracteristici de de probabilitate PN(Q) pentru 9 valori

diferite ale lui N, egal distantate pe scara logaritmica (1; 2; 5; 10; 20; 50; 100; 200; 500).

Caracteristicile PN(Q) se determina prin fitarea parametrica liniara a datelor

experimentale, incertitudinea in evaluarea energiei laser la pragul de distrugere (Q0 si Q50,

corespunzatore probabilitatilor de distrugere PN(Q0) = 0, respectiv PN(Q50) = 0,5) fiind data de

eroarea fitarii parametrice.

In Fig. 2 sunt aratate doua din cele 9 caracteristici de probabilitate determinate pe proba

tip GR-1891-Q (oglinda laser de mare reflectivitate in domeniul spectral 1064 nm – 1540 nm)

furnizata de SC Opticoat SRL din Bucuresti, devenita de curand sucursala a Newport-Ophir,

Israel.

Fig. 2. Proba GR-1891-Q: Caracteristici de probabilitate de distrugere pentru N = 10 si N =

500 pulsuri aplicate pe sit. Energiile laser la la pragul de distrugere (Q0 si Q50, corespunzatore

probabilitatilor de distrugere PN(Q0) = 0, respectiv PN(Q50) = 0,5) sunt determinate prin

extrapolare. Eroarea de fitare a datelor experimentale: 22 %, respectiv 20 %.

Seturile de date {Q0(N)} si {Q50(N)} rezultate din extrapolarea caracteristicilor de probabilitate

sunt utilizate pentru ridicarea caracteristicilor de distrugere ale probei (densitatea de energie laser

la pragul de distrugere functie de numarul de pulsuri aplicate), corespunzatoare unei probabilitati

de distrugere de 0 %, respectiv de 50 %. In final, caracteristicile de distrugere sunt extrapolate

pentru un numar foarte mare pe pulsuri laser incidente pe proba testata (Fig. 3).

2 3 4 5 6

0.0

0.5

1.0

P10

(Q)

Linear fit of P10

(Q)

Fiting error = 22 %

Da

ma

ge

pro

ba

bili

ty [%

]

Pulse energy Q [mJ]

Q0= 2.7 mJ

Q50

= 3.8 mJ

1 2 3 4 5

0.0

0.5

1.0

Q0= 1.3 mJ

Q50

= 2.8 mJ

Da

ma

ge

pro

ba

bili

ty [%

]

Pulse energy Q [mJ]

P500

(Q)

Linear fit of P500

(Q)

Fiting error = 20 %

Fig. 3. Caracteristica de distrugere a probei GR-1891-Q (probabilitate de distrugere 50 %)

extrapolata la un numar foarte mare de pulsuri laser incidente: densitatea maxima de putere a

pulsului laser la pragul de distrugere 2,1 GW/cm2 @ 5 ns durata de puls, echivalent cu ~ 1

GW/cm2 @ 20 ns.

Raportul de testare a specimenului GR-1891-Q prin procedura ISO S-on-1 inaintat

producatorului SC Opticoat SRL este prezentat in Anexa 2 a prezentului raport de cercetare.

Testele preliminare S-on-1 au fost realizate pe setup-ul S-on-1 utilizand urmatoarele sub-

sisteme ale instalatiei automate S-on-1: Sursa laser Brilliant B SLM; Obturator de fascicul

LSTXYW8-123 cu controler CX2450B; Atenuator variabil de fascicul laser; Sistem de deflexie

si pozitionare a fasciculului laser cu oglinzi total reflectante la lungimea de unda laser; Sistem

optic cu zoom pentru focalizarea si reglarea marimii spotului laser pe proba de test [1]; Sistem de

translatie xyz pentru pozitionarea probei in fascicul; Modul de detectie in timp real a distrugerii

sitului iradiat cuplat la osciloscop; Model experimental de dispozitv DSP; Detector piroelectric

tip J-50MB-YAG cu monitor LabMax-TOP. In Fig. 4 este aratata o vedere generala a setup-ului

experimental pentru testele S-on-1.

Fig. 4. Vedere generala a setup-ului experimental pentru teste S-on-1.

Activitatea 2.2. Teste preliminare de functionare sistem software-hardware. Implementarea

procedurilor ISO (diagnoza de fascicul, masurare PDCL si fiabilitate in camp laser) pe sistemul

software-hardware. (durata: lunile 14 – 19) – Realizat partial.

Au fost efectuate teste preliminare privind dezvoltarea algoritmului de operare automata

a procedurii S-on-1: dezvoltarea bazei de date, fitarea parametrica a datelor experimentale,

calculul erorii de fitare. Receptia celei de a doua etape a contractului cu firma Delisoft pentru

realizarea programului software de operare automata S-on-1 a fost reprogramata pentru

urmatoarea perioada de raportare.

Contributii la elaborarea standardelor ISO

- Comitetul ISO international a aprobat modificarile propuse de Dr. G. Nemes (in calitate de

membru in comitetul ISO international din partea USA) la noile standarde ISO 21254-1, 2, 3

(aflate in stadiul de "final draft") care reglementeaza masurarea pragului de distrugere a

componentelor optice in camp laser. (Material prezentat in Anexa 3 a Raportului de cercetare nr.

4 /16.06.2011)

Seminarii INFLPR, Dr. G. Nemes:

- "Spherical lens versus VariSpot – focusing and imaging properties – normalized quantities for

design".

- "Merit factors to assess the causes limiting the smallest size of a focused spot: beam-limited,

lens-limited, or both?"

Concluzii

Apreciem ca au fost indeplinite activitatile prevazute pentru pentru a cincea perioada de

raportare: 16.09.2011 – 15.12.2011 (activitati de dezvoltare experimentala si de cercetare

industriala). Pana in prezent nu sunt de semnalat factori care ar putea intarzia derularea

planificata a activitatilor proiectului.

Referinte

1. G. Nemes, US Patent # 6,717,745/2004, "Optical Systems and Methods Employing Rotating

Cylindrical Lenses/Mirrors".

Director proiect, Dr. George Nemes

Director stiintific, Dr. Aurel Stratan

ANEXA 1

Platforma hardware / software a dispozitivului DSP

1. DSP-conexiuni externe

In Fig. A1 este prezentata diagrama legaturilor unitatii DSP catre elementele externe de

executie asociate. DSP comunica urmatoarele instructiuni cu perifericele:

- comanda si controlul meselor de translatie / rotatie motorizate (X-stage, Y-stage / α-

stage) pentru pozitionarea tintei, respectiv reglajul energiei laser;

- monitorizarea circuitelor SMC-11 add pentru detectia semnalelor asociate limitatoarelor

de referinta de pe fiecare masa de translatie / rotatie;

- generarea tensiunii de curent continuu de +24 V pentru alimentarea motoarelor de

actionare a meselor de translatie / rotatie, cu functionare in regim de comanda locala sau

de la distanta;

- prelucrarea semnalelor furnizate de circuitul DDS (Detection of the Damaged Site =

detectia sitului distrus);

- comanda sincrona a semnalelor I/O provenind de la laser (LASER), obturatorul de

fascicul (OF), intrerupatorul de urgenta (STOP);

- detectia prezentei probei test (TEST) sau false (DUMMY);

- generarea tensiunilor de alimentare in curent continuu de ±5 V, +12 V.

Fig. A1: Diagrama legaturilor catre exterior ale DSP

2. DSP-conexiuni interne

In interiorul unitatii DSP sunt dispuse: sursa de alimentare in curent continuu, cartela

DDS, unitatea centrala FPGA ALTERA DEO (TERASIC), cartela I/O, modulul convertor USB-

Serial UART. Pe panoul spate sunt dispuse conectoarele pentru cuplarea cu elementele periferice

descrise mai sus, iar pe panoul fata sunt dispuse display-ul alfa-numeric LCD 2 linii x 16

caractere si elementele de actionare / indicare.

In Figura A2 este prezentata schema electrica a cartelei I/O, care realizeaza interfatarea

dintre unitatea centrala FPGA si elementele periferice de executie. Functional, ea are 5 canale de

bus-tranceivere octale (8 biti) non-inversoare cu 3 stari (74HC245), care realizeaza comunicarea

asincrona bidirectionala a datelor. Un bit de control (Direction) determina sensul de curgere al

datelor (de la portul A catre portul B sau invers), in timp ce pinul Output Enable izoleaza toate

cele 8 porturi cand este comandat in 0 logic. O facilitate software suplimentara permite

sacrificarea unui canal pentru ca, prin intermediul lui, sa se poata transmite comenzile de control

ale celorlalte 4 canale, obtinand astfel un bus de 32 biti complet bidirectional. Atunci cand

controlul directiei se face static (setat cu jumperi de configurare), avem 40 de canale de

comunicare de tip INPUT sau OUTPUT setate in pachete de cate 8 biti.

Fig. A2: Schema electrica a cartelei I/O.

Figura A3 prezinta diagrama conexiunilor interne ale DSP. Observam legaturile cartelei

I/O catre elementele de conectare de pe panoul spate al unitatii DSP (DDS, ADC, X, Y, α, DDS

COMP, Laser, OF, Proba, DDS Power, Sursa 24V, USB, RS232, CUSTOM), catre display-ul

alfa-numeric (LCD Display) si elementele de actionare / indicare de pe panoul fata (P1-P4, LED-

urile D1-D7, Keyboard), precum si conexiunile cu unitatea centrala FPGA.

Unitatea FPGA contine toate componentele necesare pentru a fi folosita in conjunctie cu

un computer care opereaza sub sistemul Microsoft Windows. Notam astfel circuitele CPLD

ALTERA MAX II (U6), FPGA CYCLONE III (U4), 8-Mbytes SDRAM (U1), 4-Mbytes FLASH

Memory (U2), USB Controller Circuit (U7). Programatorul USB (U6 & U7) integrat pe placa (J7)

permite programarea si controlul de catre utilizator al API (Interfata de Programare a Aplicatiei);

programatorul suporta modurile de programare JTAG si AS (Serial Activ).

Acestora li se adauga mai multe elemente periferice de interconectare / interfatare care,

pentru o maxima flexibilitate a utilizatorului, sunt guvernate de circuitul FPGA. Astfel, utilizatorul

poate configura FPGA pentru a implementa orice proiectare de sistem. Dintre elementele de

interconectare / interfatare notam: interfata LCD 2 linii x 16 caractere, 4-bit VGA DAC (J1), afisor 4

digiti x 7 segmente (HEX0-HEX3), tranceiver-ul RS 232, port serial PS/2 (J3), soclul de card SD

(J6), 2 conectoare x 40 pini (J4, J5), 10 comutatoare de translatie (SW0-SW9), 3 push-butoane

(BUT0-BUT2), 10 LED-uri (LED G0-LED G9).

Fig. A3: Diagrama conexiunilor interne ale DSP.

In Figura A4 este aratata o imagine a unitatii DSP.

Fig. A4. Unitatea DSP.

3. DSP-software

Asa cum este descris in caietul de sarcini privind realizarea sistemului de automatizare a

instalatiei de masurare a pragului de distrugere a componentelor optice sub actiunea pulsurilor

laser, conform procedurii S-on-1, relatia dintre cele doua unitati de calcul PC si DSP este

urmatoarea: intotdeauna PC este "MASTER", in timp ce DSP se subordoneaza PC, actionand ca

"SLAVE". Aceasta inseamna ca DSP, in afara de procesele de initializare activate la pornirea

DSP (procese prin care DSP verifica functionarea subsistemelor periferice pe care le comanda),

nu executa nici o operatie fara comanda expresa din partea PC.

Acest mod de lucru are avantajul de a nu genera "ambiguitati" de interpretare pe

parcursul efectuarii de masurari, de a facilita un protocol de comunicare intre cele doua entitati

de calcul simplu, clar, usor de implementat in software, de a nu necesita procese de tip "pooling"

specifice sistemelor "MULTIMASTER". Exista si un dezavantaj: sistemele periferice coordonate

de catre DSP nu pot fi comandate sau interogate independent de programul de testare / masurare

instalat la nivelul calculatorului PC.

Pe parcursul dezvoltarii instalatiei a devenit evidenta necesitatea dezvoltarii in paralel a

unui program, la nivelul DSP, capabil sa efectueze astfel de operatii independent de calculatorul

PC. Aceste comenzi si interogari sunt absolut necesare in etapele de verificare / testare a

functionarii acestor sisteme periferice si sunt utile in determinarea parametrilor si variatiei in

timp a acestor periferice. De asemenea, acest program, denumit "DSP Stand-alone

Configuration", va fi extrem de util in operatiile de mentenanta ale instalatiei ISOTEST. Spre

deosebire de soft-ul de baza, unde comenzile si interogarile sunt trimise de catre PC, in cazul

"DSP Stand-alone Configuration" comenzile sunt introduse de la panoul frontal al dispozitivului

DSP. La pornirea aparatului operatorul trebuie sa aleaga (cu o comanda specifica) daca doreste

sa ruleze programul "DSP Stand-alone Configuration". In mod implicit, daca operatorul nu

actioneaza comanda specifica, DSP va rula programul de baza.

In continuare vom descrie modul de functionare al programului "DSP Stand-alone

Configuration". La pornirea DSP se realizeaza initializarea aparatului. Se verifica sistemele

periferice, se semnalizeaza starea acestora, apoi sistemul este pregatit sa preia comenzi de la

panoul frontal. Aparatul este capabil sa efectueze urmatoarele comenzi:

Deplasarea motorului α;

Deplasarea motoarelor X si Y;

Aducerea la zero a motoarelor;

Executia unei secvente de explorare si raportare a rezultatului;

3.1. Initializarea DSP

Diagrama functionala a secventei de initializare este prezentata in Figura A5.

Fig. A5: Diagrama functionala a secventei de initializare a DSP.

La pornirea aparatului, DSP efectueaza urmatorii pasi (in aceasta ordine): executa POR

(Power On Reset), adica reseteaza toti registrii si toate celulele de memorie de la nivelul

controller-ului, comanda pornirea sursei de 24V ce alimenteaza motoarele pas cu pas (prezenta

tensiunii e indicata de aprinderea LED G5 de pe placa DEO), verifica prezenta semnalului Q-

switch de la laser (prezenta semnalului Q-switch de la laser este semnalizata de catre LED G7 de

pe placa DEO prin iluminare intermitenta). Executarea POR este insotita de un semnal acustic

scurt. In cazul in care DSP sesizeaza absenta tensiunii de 24V (dupa ce comanda de pornire a

sursei a fost trimisa), DSP va da un semnal acustic prelungit (pe toata durata absentei tensiunii de

24V).

3.2. Comanda motoarelor pas-cu-pas

DSP controleaza trei motoare pas cu pas: motorul de rotatie α, motorul de translatie X si

motorul de translatie Y (vezi Fig. A1). Motorul α antreneaza o masuta de rotatie ce permite

reglajul atenuarii fasculului laser, in timp ce motoarele X si Y deplaseaza in planul X-Y proba

supusa testelor. Pe panoul frontal (vezi Fig. A3) exista trei butoane pentru comanda

corespunzatoare a celor trei motoare: P1 activeaza motorul α, P2 activeaza motorul X, P3

activeza motorul Y.

Tot pe panoul frontal, corespunzator fiecarui motor, se afla cate doua indicatoare LED cu

rolul de a indica faptul ca motorul in cauza e activat (pentru a prelua comenzi), respectiv ca

motorul a ajuns in pozitia "zero" (de referinta) a cursei.

Figura A6 reprezinta, pentru descriere, diagrama functionala de actionare a motorului de

translatie de pe axa X, cu mentiunea ca organigrame similare se aplica si in cazul motoarelor α si

Y.

Dupa actionarea P2 si aprinderea LED-ului D4, se introduce valoarea dorita a deplasarii

(in μm), folosind tastatura numerica ("Keyboard" in Fig. A3) de pe panoul frontal al DSP. Dupa

validarea valorii introduse (actionarea tastei "#"), motorul se deplaseaza inainte sau inapoi in

conformitate cu semnul algebric al diferentei fata de valoarea pozitiei anterioare a motorului.

Cand se atinge valoarea setata, motorul se opreste. Daca, in timpul acestei curse, motorul atinge

valoarea "zero" sau cota maxima (pozitiile extreme ale translatiei), motorul se opreste

neconditionat sub actiunea limitatoarelor de cursa asociate, cu aprinderea LED-ului D3 de pe

panoul frontal, respectiv a LED G2 de pe placa DEO si generarea unui semnal acustic

intermitent.

Fig. A6: Diagrama functionala de comanda a motorului X.

3.3. Explorare tinta

Diagrama functionala asociata procedurii de explorare a tintei este prezentata in Figura

A7. Pentru explorarea probei si determinarea pragului de distrugere a componentei optice-proba

sub actiunea pulsurilor laser se actioneaza tasta "*" de pe keyboard, ceea ce are ca efect activarea

modulului de detectie a sit-ului distrus (DDS COMP in Fig. A3) si resetarea numaratorului de

pulsuri aplicate. La o noua actionare a tastei "*", se deschide shutter-ul (LED G6 ilumineaza

intermitent) si se deschide calea aplicarii pulsurilor laser pe tinta, pulsuri ce sunt numarate de un

numarator asociat. Daca sit-ul nu se distruge pana la aplicarea a 500 de pulsuri (programate

conform procedurii S-on-1), la atingerea numarului de 500 de pulsuri aplicate se inchide shutter-

ul si se blocheaza calea pulsurilor catre tinta. Rezultatul trecerii testului S-on-1 la care a fost

supusa proba este indicat de pozitia "stins" a LED-ului D7 de pe panoul frontal.al DSP (Fig. A3).

In cazul in care DDS COMP sesizeaza distrugerea sit-ului inainte de aplicarea celor 500

de pulsuri conform procedurii, el comanda inchiderea shutter-ului, numaratorul memoreaza

numarul pulsurilor laser inregistrate pana la momentul distrugerii, iar LED-ul D7 se aprinde,

indicand situatia de "sit distrus".

In afara acestei proceduri automate, actionarea tastei "0" de pe keyboard permite

inducerea manuala a starii de "sit distrus", avand ca efect inchiderea shutter-ului si aprinderea

LED-ului D7. Aceasta procedura este folosita pentru verificarea comenzilor si buclelor implicate

la aparitia unui sit distrus.

Fig. A7: Diagrama functionala a procedurii "explorare tinta".

3.4. Aducerea motoarelor in pozitia de referinta

Efectuarea oricarei miscari (translatie sau rotatie) a masutelor motorizate pana la pozitia

dorita prin efectuarea unei curse de marime exprimata in μm, respectiv grade, impune definirea

si memorarea pozitiei "zero" (de referinta), fata de care se masoara toate deplasarile liniare si

unghiulare ulterioare. Referinta "zero" coincide cu una din extremitatile cursei fiecarei masute,

astfel ca toate cotele ce vor fi definite ca deplasare sunt pozitive.

Vom exemplifica secventa de executare tot cu motorul de pe axa X, lucrurile

desfasurandu-se similar si pentru celelalte axe (Figura A8). La actionarea intrerupatorului P4 de

pe panoul frontal al DSP sunt activate modulele de comanda ale celor trei motoare, lucru indicat

prin iluminarea LED-urilor asociate D2, D4, D6. Masuta actionata de motorul X se deplaseaza

"inapoi" (catre pozitia de referinta) pana cand ajunge la "zero", moment in care motorul se

opreste, LED-ul D3 se aprinde, iar pozitia respectiva este memorata ca avand cota zero. Toate

deplasarile ulterioare ale masutei X se vor calcula fata de acest "zero".

Fig. A8: Diagrama functionala de aducere a motoarelor la "zero".

ANEXA 2

National Institute for Lasers, Plasma and Radiation Physics (NILPRP/INFLPR) Solid State Laser Laboratory, ISOTEST Project

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

Date: 08 Nov. 2011

Name: Alexandru Zorila, Laurentiu Rusen

Specimen:

Type of Specimen: HR coating @ 1540 nm, GR-1891-Q

Manufacturer: SC Opticoat SRL, Bucharest, Romania (now Newport-Ophir, Israel)

Storage, Cleaning: No special precautions

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-50MB-YAG pyroelectric detector

Calibration date: 01.12.2010

Energy measurement

Pulse energy online monitored with type J-25MT-10kHz pyroelectric detector (Coherent, Inc.)

and calibrated with J-50MB-YAG pyroelectric detector (Coherent, Inc.).

Laser parameters:

Wavelength: 1064 nm

Operating mode: pulsed

Output energy: adjustable, up to 450 mJ

Pulse repetition frequency: 10 Hz

Polarization state: linear, totally polarized, horizontal

Measurement specifications:

Effective beam area: 2.15 x 10-4 cm2

Effective beam diameter: 0.165 mm

Effective pulse duration: 5.5 ns

Spatial beam profile: near-gaussian

Angle of incidence: 1°

Number of sites per specimen: 225

Number of shots per site: 500

Arrangement of test sites: 15 x 15 matrix

Minimum distance between sites: 1 mm

Number of specimens tested: 1

Da

ma

ge

pro

ba

bili

ty [%

]

Da

ma

ge

pro

ba

bili

ty [%

]

Total number of sites for the test: 225

Damage detection: online scatter measurement

Storage of the specimen: manufacturer box

Enviromental conditions:

Cleaning: duster 1671-10S, aerosol

Mounting of sample: commercial kinematic mount

Test environment: clean filtered air, 24 °C ± 1 °C, 30 % humidity

Fig. 1. Spatial laser beam profile in the target plane Fig. 2. Temporal profile of the laser pulse

Error budget:

a) random variations:

Pulse-energy stability (rms): ±1 %

Spatial pulse profile stability (rms): ±4 %

Temporal pulse profile stability (rms): ±5 %

b) systematic variations:

Energy monitor calibration: ±2 %

Energy detector calibration: ±2 %

c) total errors:

Estimated LIDT standard uncertainty: ±25 %

Test Results:

100 P (Q)

10

1,0 P

500

(Q)

Linear fit of P (Q) 10

Linear fit of P 500

(Q)

Fiting error = 22 % Fiting error = 20 %

50 0,5

Q = 3.8 mJ 50

Q = 2.8 mJ 50

Q = 2.7 mJ

0

Q = 1.3 mJ

0

0

2 3 4 5 6

Pulse energy Q [mJ]

0,0 1 2 3 4 5

Pulse energy Q [mJ]

Fig. 3. Damage probability plots for two different LIDT levels. PN(Q) - damage probability values for a defined

number N of pulses and a specified energy Q; Q0, Q50 - energy values for the corresponding damage probability

values of 0% and 50%, respectively.

Equation y = Hd + (H1 - Hd)/(1+ (log10(x)/delta))

Value Standard Error H(P0) H1 34,1705 1,66808 H(P0) delta 0,16395 0,05693 H(P0) Hd 7,22002 1,25616

H50(N)

H50(N) linear fit

Equation y = Hd + (H1 - Hd)/(1+ (log10(x)/delta)) H(P50) H1 51,61409 0,66374 H(P50) delta 0,17415 0,01588 H(P50) Hd 11,44748 0,50985

En

erg

y d

en

sity

H [J

/cm

2]

H(P

50) (J

/cm

2)

H0(N) 50

H0(N) fit 30

25

30

20

15 20

10

10

5

1 10 100 1000

N (number of pulses)

1 10 100 1000

N (number of pulses)

Fig. 4. Characteristic damage curve of the sample. H0(N) - energy density at 0 % LIDT for a specified N.

H50(N) - energy density at 50 % LIDT for a specified N.

Fig. 5. Extrapolated S-on-1 damage threshold as function of N number of pulses. E - pulse power density.

Fig. 6. Normarski micrograph of a damaged site

(energy density 13.7 J/cm2, damage after 196 pulses)

Extrapolated 0 % LIDT for N = 108 pulses: energy density 5.16 J/cm2, power density 0.94 GW/cm2 @ 5.5 ns pulse

duration, equivalent to 0.5 GW/cm2 @ 20 ns pulse duration

ANEXA 3

Contributia Dr. G. Nemes la imbunatatirea standardelor referitoare la "Laser-induced

damage threshold", ISO 21254 1,2,3.

- Pe data de 20.05.11 Dr. Nemes a trimis observatiile sale la OEOSC, USA, care reprezinta

organismul American afiliat la ISO. Aceste observatii au fost mentionate in Anexa 4 a

Raportului de Cercetare nr. 4/16.06.11 (http://ssll.inflpr.ro/isotest/index.htm). Dupa ce aceste

documente au circulat in cadrul membrilor delegatiei USA, care nu au avut obiectiuni, ele au fost

preluate de delegatia USA si inaintate ca documente oficiale din partea delegatiei USA, spre

votare la ISO. Rezolutia USA a fost "aprobare, cu observatiile anexate" (singurele observatii din

partea USA au fost facute de Dr. Nemes, ca reprezentant al delegatiei USA).

- Pe data de 28.06.11 aceste documente au fost aprobate de tarile membre ISO, dupa cum rezulta

din mesajul e-mail de mai jos, atasat intre liniile punctate. La sfarsitul fiecarui link este atasat

documentul privind observatiile tarilor membre ISO – in acest caz observatiile USA (de

substanta) si observatiile Frantei (privind terminologia in limba franceza).

-----------------------------------------------------------------------------------

TC172/SC9 documents posted to OEOSC website (information)

Hide Details

FROM: Michele Stolberg

TO: breck@leoma.com roger.rypma@sbcglobal.net LASERJOX@aol.com smawn@astm.org

dan.neal@amo.abbott.com wroyall@rochester.rr.com gnemes02@yahoo.com

adavies@uncc.edu jfleischer@photon-inc.com jguttman@photon-inc.com

dwjohnson@kcc.com ansostan@webtv.net marla.dowell@nist.gov PennyJS@aol.com

Message flagged

Tuesday, June 28, 2011 11:09 PM

Dear Member:

The documents indicated below have been posted to the OEOSC website for your information:

N421: Result of voting ISO FDIS 21254-1: Lasers and laser-related equipment -- Test methods

for laser-induced damage threshold -- Part 1: Definitions and general principles.

ID# 5384

http://www.optstd.org/private/isotc172/sc9/sc/sc9N421.pdf

N422: Result of voting ISO FDIS 21254-2: Lasers and laser-related equipment -- Test methods

for laser-induced damage threshold -- Part 2: Threshold determination.

ID# 5385

http://www.optstd.org/private/isotc172/sc9/sc/sc9N422.pdf

N423: Result of voting ISO FDIS 21254-3: Lasers and laser-related equipment -- Test methods

for laser-induced damage threshold -- Part 3: Assurance of laser power (energy) handling

capabilities.

ID# 5386

http://www.optstd.org/private/isotc172/sc9/sc/sc9N423.pdf

To access these documents, please click on the links above. At the prompts, enter the following:

user name: member

password: kitkat98

If you have any questions, please don't hesitate to contact me.

Best regards,

Michele

Michele Stolberg

OEOSC, ISO/TC172 USA

www.optstd.org

-------------------------------------------------------------------------------------

- Pe data de 20.07.11 noile standard ISO 21254-1,2,3 au fost emise si au devenit documente

oficiale ale ISO, dupa cum am fost anuntati prin e-mailul de mai jos (atasat intre linii punctate).

--------------------------------------------------------------------------------------

From: Michele Stolberg <michlisa@frontiernet.net>

To: breck@leoma.com; roger.rypma@sbcglobal.net; LASERJOX@aol.com; smawn@astm.org;

dan.neal@amo.abbott.com; wroyall@rochester.rr.com; gnemes02@yahoo.com;

adavies@uncc.edu; jeff.guttman@us.ophiropt.com; dwjohnson@kcc.com; ansostan@webtv.net;

marla.dowell@nist.gov; PennyJS@aol.com; greg.slobodzian@us.ophiropt.com

Sent: Wednesday, July 20, 2011 8:58 AM

Subject: TC172/SC9 standards published

The following ISO International Standard(s) and/or other have been deliverables published:

1.ISO 21254-1:2011 (replaces ISO 21254-1:2000)

ISO/TC 172/SC 9

Lasers and laser-related equipment -- Test methods for laser-induced damage threshold -- Part 1:

Definitions and general principles

2.ISO 21254-2:2011 (replaces ISO 21254-2:2001)

ISO/TC 172/SC 9

Lasers and laser-related equipment -- Test methods for laser-induced damage threshold -- Part 2:

Threshold determination

3.ISO 21254-3:2011 (replaces ISO 21254-3:2006)

ISO/TC 172/SC 9

Lasers and laser-related equipment -- Test methods for laser-induced damage threshold -- Part 3:

Assurance of laser power (energy) handling capabilities

We kindly request that you notify the US Technical Advisory Group (US TAG) members of

these and all ISO standards available from ANSI's eStandards Store at http://webstore.ansi.org .

ISO standards may also be obtained through ANSIs Customer Service as follows:

ANSI

Attn: Customer Service Department, 4th Floor

25 W. 43rd St., New York, NY 10036

Phone: 1.212.642.4900

Fax: 1.212.302.1286

Email: quote@ansi.org

Http: webstore.ansi.org

Thank you.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

- Pe data de 21.07.11 Dr. Nemes a anuntat comitetul OEOSC prin e-mail de o mica eroare in

anuntul de mai sus, eroarea constand in numerotarea gresita a standardelor ISO inlocuite de noile

standarde ISO 21254-1,2,3. Eroarea a fost insusita de secretara comitetului, conform e-mailului

anexat mai jos.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

**correction** Re: TC172/SC9 standards published 1

FROM: Michele Stolberg

TO: breck@leoma.com

roger.rypma@sbcglobal.net

LASERJOX@aol.com

smawn@astm.org

dan.neal@amo.abbott.com

wroyall@rochester.rr.com

gnemes02@yahoo.com

adavies@uncc.edu

jeff.guttman@us.ophiropt.com

dwjohnson@kcc.com

ansostan@webtv.net

marla.dowell@nist.gov

PennyJS@aol.com

greg.slobodzian@us.ophiropt.com

Message flagged

Thursday, July 21, 2011 1:16 AM

Hi everyone-

Please note the correction indicated by George below.

Thank you, George, for catching the error!

Michele

Date: Wed, 20 Jul 2011 10:01:57 -0700 (PDT)

From: George Nemes <gnemes02@yahoo.com>

Reply-To: George Nemes <gnemes02@yahoo.com>

Subject: Re: TC172/SC9 standards published

To: Michele Stolberg <michlisa@frontiernet.net>

Cc: George Nemes <gnemes02@yahoo.com>

Hi Michele

Many thanks for the e-mail concerning the recently published standards. However, I believe the

earlier standards replaced by these new ones begin with the numeral 1 and not with the numeral

2, e.g., the new standard ISO 21254-1:2011 replaces ISO 11254-1:2000, and not ISO 21254-

1:2000 (which, actually, does not exist), etc.

With best regards,

George Nemes

----------------------------------------------------------------------------------------

Nota Importanta: In prezent noile standarde ISO 21254-1,2,3,4, pe care INFLPR le-a cumparat,

sunt standarde dupa care se deruleaza cercetarea la proiectul ISOTEST.