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. 10/ 15.12.2012

Perioada de raportare: 22.09.2012 – 17.12.2012

INFLPR

Sectia Laseri

Raport de Cercetare nr. 10/ 15.12.2012

In cadrul activitatilor prevazute pentru a 10-a perioada de raportare (22.09.2012 –

17.12.2012) 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 / ultrasurte dezvoltati de INFLPR: sistemul

oscilator microchip – amplificator in pulsuri de sute de picosecunde si sistemul laser in

femtosecunde CPA-2101.

- Diagnoza de fascicul pe laseri / echipamente laser portabile cu emisie in unda continua sau

pulsat;

- Masurarea PDCL, a fiabilitatii componentelor optice pe laseri in pulsuri scurte / ultrasurte

dezvoltati de INFLPR. Realizat partial, conf. Calendar.

1. Teste / masurari efectuate pe dispozitivul de diagnoza de fascicul 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 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 pe doua sisteme laser pulsate si pe un laser in unda continua:

Sistemul Laser in pulsuri de Picosecunde (SLP) din INFLPR, sistemul laser BRILLIANT-B-10-

SLM (Quantel) si laserul He-Ne 1125P (JDS Uniphase).

1.1. Calculul erorilor si evaluarea incertitudinii in masurarea parametrilor spatiali de propagare

1.2. Diagnoza de fascicul pe sistemul laser SLP.

1.3. Diagnoza de fascicul pe sistemul laser BRILLIANT-B-10-SLM

1.4. Diagnoza de fascicul pe laserul He-Ne 1125P (ISO 11554:2006)

2

1.1. Calculul erorilor si evaluarea incertitudinii in masurarea parametrilor spatiali de propagare

Incepand cu cea de a 8-a perioada de raportare (16.03.2012 – 22.06.2012), au fost efectuate

o serie de teste privind masurarea parametrilor spatiali de propagare pe fascicule laser in unda

continua si in pulsuri. Testele au fost realizate pe trei tipuri de laseri He-Ne si pe oscilatorul

microchip al sistemului SLP in pulsuri de picosecunde, in conformitate cu standardul ISO 11146-

1:2005. Parametrii de propagare ai fasciculului investigat (diametrul transversal minim dσ0 (talia),

pozitia taliei z0, divergenta unghiulara θσ, lungimea Rayleigh zR, factorul de merit M2) sunt

determinati prin fitarea hiperbolica a datelor experimentale (diametrul dσ(z) al fasciculului

focalizat masurat la diferite distante de propagare).

Analiza datelor experimentale furnizate de aceste teste a relevat o caracteristica aparent

contradictorie privind incertitudinea rezultatelor masurarii: cu toate ca eroarea de fitare a datelor

experimentale este de regula scazuta (eroarea standard medie a parametrilor de fitare A, B, C,

calculata de programul ORIGIN, se situeaza sub nivelul de 1 %), fapt care atesta o masurare

corecta a dimensiunilor transversale de fascicul, este posibil ca anumiti parametri de propagare,

care sunt dedusi din parametrii de fitare, sa fie afectati de erori semnificativ mai ridicate. Pentru a

clarifica acest aspect, am efectuat un calcul de propagare a erorilor pornind de la erorile standard

experimentale ale parametrilor de fitare A, B, C. Rezultatele calculului sunt sintetizate in

continuare.

Formule de calcul si erori

Conform ISO 11146-1, procedura de masurare a parametrilor spatiali de fascicul include in

principal urmatoarele etape succesive:

- Fasciculul investigat se focalizeaza cu o lentila convergenta, cu pozitie si parametri cunoscuti.

- Se masoara diametrul 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.

- Se fiteaza in Origin dσ(z) = (A + Bz + Cz2)1/2, care reprezinta ecuatia de propagare dσ(z) = dσ0[1

+ (z - z0)2/zR2]1/2. Se mai cunosc focala lentilei f (cu eroarea relativa εf = 1 %) si lungimea de unda

laser λ. Eroarea lui λ se neglijeaza. Formulele care dau parametrii fizici de fascicul si erorile lor relative in "spatiul 2" si in

"spatiul 1" ("spatiul 1" este "inainte" de lentila - acesti parametri corespund fasciculului original

emergent din laser) sunt listate mai jos.

3

Marimi (unitati) Eroarea standard (unitati) Eroarea relativa (%)

A (mm2) ΔA (mm2) εA = (ΔA/A)*100

B (mm) ΔB (mm) εB = (ΔB/B)*100

C ΔC εC = (ΔC/C)*100

ε = max(εA, εB, εC)*100

λ (mm) Δλ (mm) ελ = (Δλ/λ)*100 ≈ 0

f (mm) Δf (mm) εf = (Δf/f)*100 ≈ 1

Parametri fizici Erori relative

1. z02 = -B/(2C) (mm) εz02 = (εB2 + εC

2)1/2

2. θσ2 =C1/2 (rad) εθσ2 = (1/2)εC

3. T = 4AC/B2; Comentariu: De obicei T e cu foarte putin > 1; Nu este nevoie de eroarea εT.

4. (MF) = "Mammoth factor" ≡ (T - 1)-1 - de obicei foarte mare (zeci sau sute). Este factorul

principal care mareste eroarea relativa a unor parametri fizici, prin propagarea erorilor.

5. S = (4AC - B2)1/2 (mm) εS = [4A2C2(εA2 + εC

2) + B4εB2]1/2/(4AC - B2) =

= (T - 1)-1[(T2/4)(εA2 + εC

2) + εB2]1/2 ≈

≈ 1.2 (T - 1)-1ε = 1.2 (MF)ε

6. zR2 = S/(2C) (mm) εzR2 = (εS2 + εC

2)1/2 ≈ εS

7. dσ02 = S/(2C1/2) (mm) εdσo2 = [εS2 + (1/4)εC

2]1/2 ≈ εS

8. M2 = (π/8)(S/λ) εM^2 = (ελ2 +εS

2)1/2 ≈ εS

9. x2 ≡ Δ2w = z02 - f (mm) εx2 = [z022(εB

2 + εC2) + f2εf

2]1/2/|x2| ≈

≈ [(2z022 + f2)1/2/|x2|]ε

10. L = zR22 + x2

2 (mm2) εL = 2(zR24εzR2

2 + x24εx2

2)1/2/L ≈

≈ 2(zR24εS

2 + x24εx2

2)1/2/L

11. V = f/L1/2 εV = [(1/4)εL2 + εf

2]1/2 ≈ (1/2)εL

12. dσ01 = Vdσ02 (mm) εdσ01 = (εV2 + εdσ02

2)1/2 ≈ (εV2 + εS

2)1/2

13. zR1 = V2zR2 (mm) εzR1 = (4εV2 + εzR2

2)1/2 ≈ (εL2 + εS

2)1/2

14. θσ1 = θσ2/V (rad) εθσ1 = (εθσ22 + εV

2)1/2 ≈ εV

15. x1 ≡ Δ1 = V2x2 (mm) εx1 = (4εV2 + εx2

2)1/2

16. z01 ≡ d1 = x1 + f (mm) εz01 = (x12εx1

2 + f2εf2)1/2/z01 ≈ (x1/z01)εx1

Notatia si semnificatia acestor parametri fizici corespunde cu cea din standardul ISO 11146-1 si nu

este repetata aici. In plus fata de standardul de mai sus au fost introdusi parametrii suplimentari

4

(intermediari) de calcul: S, (MF), T si L. Un studiu asupra influentei acestora asupra erorilor din

rezultatele finale este extrem de important pentru a se incerca micsorarea aceste erori. Acest studiu

este in curs de desfasurare (studii similare nu exista in literatura). De asemenea, o parte din acesti

parametri suplimentari au o semnificatie fizica profunda, care sugereaza ca se pot estima limitele

in care se pot minimiza erorile de masura, tinand cont de caracteristicile montajului eperimental.

Se pare ca exista, cel putin in principiu, o posibilitate de a optimiza aranjamentul experimental

pentru a minimiza aceste erori, prin utilizarea altor lentile (cu focala diferita de cele utilizate in

prezent) si prin modificarea altor parametri experimentali (posibila "pre-formare" a fasciculului de

masurat cu lentile suplimentare). Aceste posibilitati vor fi explorate, atat teoretic cat si

experimental, in etapa imediat urmatoare.

Raportul de test referitor la diagnoza spatiala de fascicul a fost revizuit si imbunatatit fata

de versiunile precedente (care urmareau direct sugestiile standardului ISO 11146-1) prin doua

informatii esentiale pentru utilizator, informatii care nu apar explicit in publicatii. Acestea sunt:

- Informarea ca fasciculul real este masurat ca fascicul aliniat simplu astigmatic si apoi este

aproximat cu un fascicul stigmatic.

- Date despre parametrii intrinseci si clasificarea intrinseca de fascicul, rezultate din masurari.

Concluzii

- Au fost efectuate masurari de parametri spatiali conform standardului ISO 11146-1 pe mai multi

laseri, atat cu emisie continua cat si pulsati.

- Masurarile de parametri spatiali au condus la valori comparabile cu ale unor laseri similari din

literatura sau cu valori specificate in datele tehnice ale firmelor producatoare (acolo unde exista

aceste specificatii).

- Precizia masurarilor de diametre de fascicul, exprimata prin eroarea relativa a parametrilor de

fitare, este foarte buna, in general de ordinul 1 % sau mai mica.

- Formulele de calcul a parametrilor de fascicul si formulele de calcul a erorilor relative, date mai

sus, sugereaza o proprietate intrinseca (prin relatiile matematice ce intervin) de "amplificare" a

erorilor relative in cazul unor parametri (cum este cazul la eroarea relativa a parametrului M2).

- Studiul teoretic al acestor relatii matematice de "propagare a erorilor", care a fost inceput,

sugereaza ca, in anumite cazuri, se pot micsora aceste erori in anumite limite. Continuarea acestui

studiu de micsorare a erorilor se va face pe trei cai: teoretic (prin analiza formulelor de propagare

si gasirea unor parametri optimi de montaj experimental); experimental, prin verificarea calculelor

teoretice cu masurari suplimentare in variante imbunatatite de montaj; prin "experimente" de

prelucrare a datelor masurarilor, folosind in fitarea datelor experimentale (dependenta diametrului

fasciculului cu z) direct paramerii fizici de interes si nu parametrii intermediari A, B, C. In acest

5

din urma caz, se vor folosi si alte posibilitati ale softului Origin, de a minimiza erorile de fitare prin

diferite alte metode (care, de exemplu, ar putea utiliza si ponderarea erorilor).

- Consideram ca inceperea si continuarea acestui studiu de erori la masurarea parametrilor spatiali

este foarte importanta pentru optimizarea montajului experimental de masura a parametrilor

spatiali de fascicul.

- Structura raportului de test pentru diagnoza spatiala de fascicul a fost imbunatatit cu doua

explicatii importante pentru beneficiar, dar care de obicei nu sunt explicitate de cei care efectueaza

masurarile.

1.2. Diagnoza de fascicul pe sistemul laser SLP.

Sistemul laser SLP din dotarea INFLPR a fost realizat dupa o schema originala elaborata in

colectivul de Laseri cu Corp Solid din Sectia Laseri. Sistemul SLP, aratat schematic in Fig. 1, este

alcatuit din trei sub-sisteme componente: un oscilator Nd:YAG cu rezonator laser microchip

pompat cu dioda laser, un amplificator Nd:YAG cu doua treceri pompat cu lampa flash si un etaj

convertor de frecventa echipat cu cristale neliniare tip LBO si BBO. Oscilatorul microchip

genereaza pulsuri laser de mica energie (microjoule, µJ) cu durata sub nanosecunda, frecventa de

repetitie 1 kHz si lungime de unda 1064 nm din infrarosu apropiat. Dupa doua treceri prin etajul

amplficator, functie de energia de pompaj furnizata de flash, energia laser per puls poate depasi

nivelul de 10 mJ. Fasciculul infrarosu amplficat este dirijat cu oglinzile M2 si M5 in etajul

convertor unde este dublat in frecventa (armonica a doua optica) in cristalul LBO (1064 nm → 532

nm). In continuare, fasciculul armonic vizibil cu lungimea de unda de 532 nm este dublat in

frecventa in cristalul de BBO (armonica a patra optica in UV, la 266 nm). In Fig. 1 este aratata

configuratia etajului convertor pentru extragerea armonicii a 4-a (266 nm) a fasciculului laser

infrarosu de 1064 nm. Sistemul SLP dispune de un set de oglinzi dicroice (nearatat in Fig. 1) care

permit extragerea si utilizarea in exterior a fasciculului infrarosu (1064 nm), sau a fasciculului

vizibil (532 nm), sau a celui UV (266 nm). Eficienta conversiei 1064 nm → 532 nm se incadreaza

in limitele de 40 % - 50 %, in timp ce eficienta conversiei 1064 nm → 266 nm este de aprox. 15 %.

Durata pulsurilor laser (la jumatate din amplitudine) variaza intre ~ 600 ps si 400 ps, functie de

lungimea de unda a fasciculului laser. Frecventa de repetitie a pulsurilor laser amplificate este

reglabila in trepte, in gama 1 Hz – 10 Hz.

6

Fig. 1. Configuratia sistemului laser SLP pentru extragerea armoniciia 4-a. M1-M5, oglinzi plane, HR @ 1064nm; YAG, bara amplificator Nd:YAG; α ≈ 2º, unghi de intoarcere a fasciculului laser amplificat; LBO, cristal neliniar dublor 1064 nm → 532 nm; BBO, cristal dublor 532 nm→ 266 nm; M6-M7, oglinzi dicroice, HR @ 266 nm, HT @ 1064 & 532 nm.

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

Masurarile au fost efectuate pe fasciculul infrarosu amplificat, pentru doua frecvente de

repetitie ale pulsurilor laser: 2 Hz si 5 Hz. Distributia spatiala de fluenta (densitate de energie) a

fasciculului laser 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. 2.

D

C

S1

L

AT

D2

W1

W2 E/P

S2

D3

D4

L1

L2

L3

Fig. 2. 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.

7

Fasciculul laser a fost masurat ca fascicul aliniat simplu astigmatic (ASA) si apoi a fost

aproximat cu un fascicul stigmatic (ST). Datele experimentale Dx, Dy (diametre 4σ de fascicul

masurate dupa lentila de focalizare la diferie distante de propagare) au fost fitate in Origin cu

ecuatia D(z) = (A + Bz + Cz2)1/2 recomandata de standardul ISO 11146, unde D(z) = Dx(z), Dy(z).

Asa cum se poate vedea in Fig. 3, unde sunt reprezentate datele experimentale fitate masurate la

frecventa de repetitie a pulsurilor laser de 5 Hz, erorile standard ale parametrilor de fitate A, B si C

sunt extrem de mici, rezultat care probeaza o masurare corecta a diametrelor de fascicul.

400 500 6000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Dx Dy Hyperbolic fit of Dx

Hyperbolic fit of Dy

Dx, D

y (mm

)

z (mm) - distance after the focusing element

Equation Dx = sqrt ( A + B*z + C*z*z )Value Standard Erro

DxA 10.31744 0.02654

B -0.04829 1.561E-4

C 5.68221E- 1.98222E-7

Equation Dy = sqrt ( A + B*z + C*z*z )

Value Standard Error

Dy

A 13.96885 0.01597B -0.06424 9.29965E-5C 7.40917E- 1.22425E-7

Fig. 3. Fitarea hiperbolica a fascicului laser masurat dupa lentila de focalizare (aproximat ca fascicul ASA) la frecventa de repetitie a pulsurilor laser de 5 Hz. Insa , atunci cand parametrii fizici de fascicul (si erorile corespunzatoare) sunt dedusi din parametrii

si erorile A, B, C cu ajutorul ecuatiilor 1-16 listate in paragraful precedent, se obtine o amplificare

semnificativa a nivelului de eroare in determinarea catorva din parametri originali de fascicul. Acest aspect

este ilustrat in Tabelul 1 si in Tabelul 2, unde sunt listate rezultatele (in aproximatia de fascicul stigmatic)

obtinute la doua frecvente de repetitie ale pulsurilor generate de sistemul laser: 2 Hz si respectiv 5 Hz.

Rezultatele detaliate ale masurarilor efectuate la frecventa de repetitie de 2 Hz sunt aratate in

ANEXA 1 a prezentului raport.

Tabelul 1. Parametrii fizici ai fasciculului original emis de laser, aproximat ca fascicul ST, masurati la

frecventa de repetitie laser de 2 Hz. Fitare cu parametrii A, B, C, conform ISO 11146. Parametri Valoare

medie

Abatere standard relativa (±%)

Coordonata taliei z01 (mm) 4050 415 Diametrul taliei dσ01 (mm) 2.51 181 Lungimea Rayleigh zR1 (mm) 3130 352 Divergenta unghiulara θσ1 (mrad) 0.8 174 Raportul de propagare M2 1.5 48

8

Tabelul 2. Parametrii fizici ai fasciculului original emis de laser, aproximat ca fascicul ST, masurati la frecventa de repetitie laser de 5 Hz. Fitare cu parametrii A, B, C, conform ISO 11146.

Parametri Valoare medie

Abatere standard relativa (±%)

Coordonata taliei z01 (mm) 3290 736 Diametrul taliei dσ01 (mm) 2.54 273 Lungimea Rayleigh zR1 (mm) 3475 536 Divergenta unghiulara θσ1 (mrad) 0.70 266 Raportul de propagare M2 1.4 58

Valorile medii diferite ale parametrilor fizici obtinuti la cele doua frecvente de repetitie laser se

datoreaza in principal modificarii focalei termice a mediului laser amplificator, ca urmare a cresterii puterii

medii de pompaj de la 50 W (la frecventa de repetitie de 2 Hz) la 125 W (la 5 Hz).

Din Tabelele 1 si 2 se observa ca eroarea asociata parametrilor fizici originali dedusi din parametrii

de fitare A, B, C, este inadmisibil de mare, daca luam in considerare faptul ca datele experimentale se

fiteaza practic fara eroare pe caracteristica hiperbolica de propagare. Ca urmare trebuie cautate alte

modalitati de procesare a datelor experimentale, cum ar fi fitarea datelor direct pe ecuatia de propagare

D(z) ≡ dσ(z) = dσ0[1 + (z - z0)2/zR2]1/2 care descrie evolutia dimensiunilor transversale de fascicul

cu distanta de propagare. Ιn continuare, in Tabelul 2a sunt sintetizate rezultatele unui astfel de

calcul efectuat pe setul de date experimentale reprezentate in Fig.1.

Tabelul 2a. Parametrii fizici ai fasciculului original emis de laser, aproximat ca fascicul ST, masurati la frecventa de repetitie laser de 5 Hz. Fitare cu parametrii dσ0, z0, zR, conform discutiei de la 1.1.

Parametri Valoare medie

Abatere standard relativa (±%)

Coordonata taliei z01 (mm) 3310 20 Diametrul taliei dσ01 (mm) 2.53 7,4 Lungimea Rayleigh zR1 (mm) 3478 15 Divergenta unghiulara θσ1 (mrad) 0.73 7,5 Raportul de propagare M2 1.36 2,5

Din Tabelele 2 si 2a se observa ca metoda alternativa de fitare duce practic la aceleasi rezultate,

dar cu un nivel mult mai scazut al erorilor asociate. Ca urmare, consideram ca noua tehnica de

fitare a datelor experimentale este promitatoare si urmeaza sa fie testata in continuare.

1.2.2. Masurarea caracteristicilor temporale si energetice de fascicul (ISO 11554)

Conform standardului ISO 11554, urmatorii parametri determina caracteristicilor 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.

9

- 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), corespunzand puterii de varf Ppk, asa cum se arata in Fig. 4.

Fig. 4. Exemplu de evolutie a puterii optice P(t) (sau a semnalului de la fotodioda S(t)) a unui puls laser [2].

Puterea de varf Ppk a pulsului laser se calculeaza cu relatia

∫=

2

1

)(

maxt

t

pk

dttS

QSP

(2)

10

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

mms

n

ii

(3)

unde valoarea medie a lui m este

n

mm

n

ii∑

== 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 += ε (5)

unde ε este abaterea standard relativa, ms /=ε , si

∑=

=k

jjrelrel CUCU

1

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 %.

Caracteristicile temporale ale pulsurilor laser generate de oscilatorul microchip al

sistemului SLP au fost masurate cu o fotodioda tip UPD-70-UVIR-D (ALPHALAS GMBH) cu

banda de frecventa 5 GHz si domeniul spectral 350 nm – 1700 nm, cuplata la un osciloscop digital

DPO 7254 (Tektronix) de banda 2,5 GHz. Circuitul fotodioda – osciloscop a fost adaptat pe o

sarcina electrica de 50 Ω. In Fig. 5 este aratat profilul temporal al unui puls laser generat de

11

oscilatorul microchip (semnalul de iesire S(t) al fotodiodei UPD-70-UVIR-D afisat pe ecranul

osciloscopului DPO 7254).

Fig. 5. Profilul temporal al unui puls laser generat de oscilatorul microchip (semnalul S(t) afisat pe ecranul osciloscopului DPO 7254). Setari: baza de timp 625 ps/div, scala verticala 30 mV/div.

Analiza profilului temporal de puls a fost efectuata pe un numar de 20 profile S(t)

inregistrate de sistemul de detectie. Rezultatele masurarii profilului temporal sunt sintetizate in

Tabelul 3.

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 /=ε [%]

1 τH 576 [ps] 0,9

2 τ10 1720 [ps] 1,8

3 τR 447 [ps] 4

4 τF 700 [ps] 4

5 Smax 214 [mV] 0,6

6 ∫2

1

)(t

t

dttS

165 [pVs]

1

7 Ppk 7,8 [kW] 1,2

8 Q 6 [µJ] 0,3

9 fp 1004 [Hz] 0,5

10 Pave 6,024 [mW] 0,6

12

Energia laser per puls, Q, a fost masurata cu un detector piroelectric J-10MT-10KHz –

Coherent (domeniul de masura 100 nJ – 200 µJ, lungimea de unda de calibrare 1064 nm, domeniul

spectral 300 nm – 2100 nm, diametrul aperturii 10 mm, incertitudinea calibrarii ±2 %), cuplat la un

energimetru LabMax-TOP. Rezultatul masurarii este aratat in Fig. 6. Valoare medie a energiei per

puls si abaterea standard asociata au fost determinate pe un esantion de 1,2 x 106 pulsuri

(echivalent cu o durata de functionare de 20 minute).

Fig. 6. Diagrama evolutiei energiei pulsurilor laser generate de oscilatorul microchip (statistica pe

1,2 x 106 pulsuri): energia medie per puls 6 µJ, abaterea standard (rms) 15 nJ (~ 0,3 %).

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:

Tf p

1=

(7)

Masurarile au fost efectuate cu fotodioda UPD-70-UVIR-D cuplata la osciloscopul DPO

7254 pe un set de 5000 de achizitii, pentru a determina valoarea medie si abaterea standard

asociata a perioadei de repetitie a pulsurilor laser. Pentru o monitorizare optima a perioadei de

repetitie T, osciloscopul a fost setat astfel: modul de achizitie "Peak detect", viteza bazei de timp

200 µs/div, sensibilitatea canalului 9 mV/div, rata de esantionare 5 GS/s, parametrul masurat

"Period" (v. Fig. 7).

13

Fig. 7. Masurarea perioadei de repetitie a pulsurilor laser generate de oscilatorul microchip. Setari: baza de timp a osciloscopului 200 µs/div, sensibilitatea 9 mV/div, rata de esantionare 5 GS/s, modul de achizitie "Peak detect".

Puterea medie a fasiculului generat de oscilatorul microchip, de ordinul a 6 mW, 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, , a fasciculului laser pulsat a fost calculata

cunoscand energia medie per puls,

aveP

Q , si perioada de repetitie medie, T , a pulsurilor laser:

TQPave =

(8)

Incertitudinea extinsa asociata puterii a fost dedusa din incertitudinile asociate

marimilor

aveP

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).

14

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

mai jos [3]:

22

22

fdRoscRRc

RcRmasR

−−

−

+=

+=

τττ

τττ

(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

HcorH F ττ ⋅=− . (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 =

140 ps si τR-fd = 70 ps, din ecuatiile (9) si (10) rezulta un factor de corectie F = 0,94.

Eroarea de calibrare a bazei de timp a osciloscopului DPO 7254 poate fi estimata cu

urmatoarea relatie, conform specificatiilor tehnice ale aparatului:

[(0.06 / rata de esantionare) + (2.5 ppm × Δt)] = valoare rms (13)

15

Pentru o rata de esantionare de 40 GS/s si o largime totala a bazei de timp Δt = 6.25 ns,

rezulta o abatere standard absoluta rms = 1,5 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 (10), pentru F = 0,94 obtinem U (C) = 6 %.

Cunoscand U (C), incertitudinea extinsa totala a rezultatului masurarii, U se calculeaza cu

ajutorul ecuatiei (5). Pentru energia laser per puls Q, incertitudinea extinsa de calibrare este

U (C) = 4,5 %, conform specificatiilor detectorului

rel

rel rel,

rel 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 540 ps ± 6.3 %

2 Puterea de varf, Ppk 7,8 kW ± 6,5 %

3 Energia pe puls, Q 6 µJ ± 4,5 %

4 Frecventa de repetitie a pulsurilor, frep

1004 Hz ± 1 %

5 Puterea medie de fascicul, Pave

6,02 mW ± 4,6 %

1.3. Diagnoza de fascicul pe sistemul laser BRILLIANT-B-10-SLM

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 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 capului laser.

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,

16

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

masurarea PDCL prin testul S-on-1.

1.3.1. Masurarea parametrilor de propagare (ISO 11146-1:2005)

Masurarile au fost efectuate la lungimea de unda laser de 1064 nm, la frecventa nominala

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

propagare este aratat in Fig. 8.

Laser pulsat BRILLIANT-b-SLM

Lentila de focalizare

Atenuator variabil

S

Fotodioda

Analizor fascicul

DE1 Osciloscop

digital

AT

Procesor Digital de Semnale

DE2

Fig. 8. Schema montajului experimental pentru masurarea parametrilor de fascicul pe sistemul laser BRILLIANT-B-10-SLM. 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), comparabile cu cele listate in Tabelul 1 si

in Tabelul 2. Ca urmare, si in acest caz am fitat datele experimentale direct cu ecuatia de propagare

D4σ(z) ≡ dσ(z) = dσ0[1 + (z - z0)2/zR2]1/2 (parametrii de fitare dσ0, z0, z), asa cum se arata in Fig. 9.

17

1300 1350 1400 1450 1500 1550 16000.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

z (mm) - distance after the focusing element

D4s x D4s y

D4s

x, D

4s y

(mm

)

Value Standard ErrorD4s x D0 0.27 0.01D4s x Z0 1330.07 2.31D4s x Zr 35.65 1.93

Value Standard ErrorD4s y D0 0.28 0.01D4s y Z0 1399.78 1.18D4s y Zr 36.25 2.19

Fig. 9. Fitarea hiperbolica a fasciculului masurat dupa lentila de focalizare

(aproximat ca fascicul ASA). Parametrii de fitare: dσ0, z0, zR.

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

5 (in aproximatia de fascicul ASA) si in Tabelul 5a (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 Unitati

Coordonata taliei z0x1 7810 mm 6 % Coordonata taliei z0y1 6090 mm 4 % Diametrul taliei dσ0x1 1.6 mm 6 % Diametrul taliei dσ0y1 1.2 mm 6 % Lungimea Rayleigh zRx1 1260 mm 8 % Lungimea Rayleigh zRy1 690 mm 8 % Divergenta unghiulara θσx1 1.3 mrad 8 % Divergenta unghiulara θσy1 1.8 mrad 8 % Raportul de propagare Mx

2 1.55 - 11 % Raportul de propagare My

2 1.60 - 12 % Distantarea astigmatica absoluta a taliilor Δza1 1720 mm 31 % Distantarea astigmatica relativa a taliilor Δzr1 0.27 - 43 %

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

Parametri Valoare medie Unitati Abatere standard relativa Unitati

Coordonata taliei z01 6690 mm 5 % Diametrul taliei dσ01 1.9 mm 4 % Lungimea Rayleigh zR1 1240 mm 7 % Divergenta unghiulara θσ1 1.6 mrad 6 % Raportul de propagare M2 2.2 - 7 %

18

Din Tabelele 5 si 5a 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 4 % - 12 %).

1.3.2. 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 1.2.2. al acestui Raport. Pentru masurarea acestor parametri pe sistemul

laser BRILLIANT-B-10-SLM, au fost utilizate 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, incertitudinea calibrarii ±2 %), cuplat la un energimetru LabMax-TOP.

Pentru masurarea energiei, detectorul J-50MB-YAG (DE2) a fost plasat direct in fascicul, in

locul lentilei de focalizare (v. Fig. 8).

- 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. 8) .

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. 10 este aratata diagrama evolutiei energiei laser per puls

(37.100 masurari efectuate pe 37.100 de pulsuri succesive). Profilul temporal tipic S(t) al

pulsurilor laser generate de sistemul laser este aratat in Fig. 11. Analiza profilului temporal de puls

a fost efectuata pe un numar de 20 profile S(t) inregistrate de sistemul de detectie.

Fig. 10. Diagrama evolutiei energiei pulsurilor laser generate de laserul BRILLIANT B-10-SLM (statistica efectuata pe 37.100 masurari): energia medie per puls 484 mJ, abaterea standard (rms) 3,7 mJ (0,8 %); frecventa de repetitie 9,99 Hz.

19

Fig. 11. Profilul temporal al unui puls laser 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.

Rezultatele masurarilor sunt sintetizate in Tabelul 6 (datele experimentale) si in Tabelul 7

(rezultatele finale).

Tabelul 6. 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 /=ε [%]

1 τH 4,5 [ns] 2,2

2 τ10 10,7 [ns] 1,4

3 τR 3,0 [ns] 1,7

4 τF 6,4 [ns] 3,5

5 Smax

301 [mV] 2,2

6 ∫2

1

)(t

t

dttS

1,78 [nVs]

1

7 Ppk 82 [MW] 2,6

8 Q 484 [mJ] 0,8 Urel(C) = 4,5 %

9 fp 9.99 [Hz] 0,01

10 Pave 4,8 [W] 0,8 Urel(C) = 4,5 %

20

Tabelul 7. Parametrii temporali si energetici de fascicul (rezultate finale).

Nr Parametri temporali si energetici

Rezultat

Incertitudinea extinsa Urel

1 Durata pulsului, τH 4,4 ns ± 4,8 %

2 Puterea de varf, Ppk 8,2 MW ± 5,6 %

3 Energia pe puls, Q 484 mJ ± 4,8 %

4 Frecventa de repetitie a pulsurilor, frep

9,99 Hz ± 0,02 %

5 Puterea medie de fascicul, Pave

4,8 W ± 4,8 %

1.4. Diagnoza de fascicul pe laserul He-Ne 1125P: caracteristici temporale si energetice

(ISO 11554:2006).

Puterea laserului He-Ne 1125 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;

- 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 facorului de calibrare Urel(C)

2

2

2)(4 CU

PsU 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

21

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

relatia cu relatia [2]:

PsP 2

=Δ (15)

Puterea medie P si stabilitatea ei, ΔP, pentru fasciculul emis de laserul He-Ne 1125P au

fost determinate pe un set de 5200 masurari efectuate cu o perioada de repetitie de 1 s. (v. Fig. 12).

Fig. 12. Diagrama evolutiei puterii de fascicul a laserului He-Ne 1125 pentru 5200 masurari efectuate pe interval de timp de 100 minute.

Incertitudiea 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 8.

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

Nr Parametri energetici

Rezultat

1 Puterea medie, P 7,2 mW

2 Abaterea standard

experimentala, s

7,9 µW

3 Stabilitatea puterii,

PsP 2

=Δ

0,2 %

4 Incertitudinea extinsa Urel

4,5 %

22

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

de nanosecunde pe componente Ophir Optics SRL.

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

pe probe-martor de la 16 sarje de componente optice fabricate de Ophir Optics SRL in perioada

nov. – dec. 2012. Componentele optice au fost acoperite cu depuneri dielectrice antireflectante de

banda larga sau total reflectante la lungimea de unda de 1540 nm din infrarosu apropiat. Probele-

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

15 Rapoarte de Test care au fost inaintate producatorului. Prin aceasta, Ophir Optics SRL a

verificat componentele fabricate 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 9, unde sunt listate valorile PDCL masurate

(exprimate in J/cm2 si in W/cm2), 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 [5]. 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

(16) total

DiP (N n

nQ =)

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.

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

23

laser Hmax la pragul 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 [6, 7]. 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 [8]. 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 [9] si a rezultatelor

experimentale obtinute in cadrul testelor S-on-1 efectuate in laboratorul ISOTEST [10], 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 Q

±

i ± 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, uΔQ, poate fi estimata

cu relatia [4]

,3QQu Q

Δ=Δ

(17)

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

S-on-1 efectuate pe suprafete acoperite cu diferite depuneri dielectrice si metalice, si pe substraturi

nedepuse de quart topit polisate pana la diferite grade de rugozitate, au evidentiat o incertitudine

medie uΔQ ≈ 5 % [10].

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

24

laser 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 GRAS-20 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 [11].

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

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

222222BAABQQQF uuuuuu ++++= Δ

(18)

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

laser pe suprafata de test este data de relatia:

22222222BttBAABQQQE uuuuuuuu ++++++= Δ

(19)

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

ajutorul relatiei (20), atunci cand PDCL se specifica in fluenta laser [J/cm2], si cu relatia (21),

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

]/[, 2222 cmJPDCLuuU FPC += (20)

]/[, 2222 cmWPDCLuuU EPC += (21)

25

Rezultatele obtinute in cele 16 teste S-on-1 efectuate pe probele-martor Ophir Optics sunt

sintetizate in Tabelul 9, unde sunt listate valorile PDCL masurate (exprimate in J/cm2 si in W/cm2),

incertitudinea relativa uP a fitarii parametrice, incertitudinea standard uΔQ si valoarea estimata a

incertitudunii combinate UC in masurarea PDCL [W/cm2]. Din cele 16 probe –martor acoperite cu

depuneri dielectrice, 15 sunt de tip antireflex (AR) in domeniul spectral 600 nm – 1100 nm si una

de mare reflectivitate la 1540 nm. Una din cele 15 probe de tip AR nu a putut fi testata deoarece

pragul de distrugere al substratului era semnificativ mai scazut decat cel al acoperirii dielectrice

testate. Masurarile au evidentiat o dispersie importanta a PDCL pentru probele de tip AR, in gama

2,4 J/cm2 – 18,6 J/cm2. Consideram ca aceasta dispersie a caracteristicilor de rezistenta in camp

laser poate fi provocata in principal de doi factori:

1. Polizarea necorespunzatoare a suprafetei substratului probei-martor poate afecta

semnificativ pragul de distrugere al acoperirii AR. Odata cu scaderea PDCL, se produce si o

crestere a incertitudinii uP in fitarea datelor experimentale, deoarece densitatea mare de defecte pe

suprafata probei tinde sa mascheze relatia liniara dintre probabilitatea de distrugere si energia

pulsurilor laser de test. Un exemplu elocvent in acest sens il constituie probele SJ7567 si SJ7575

(poz. 1 si 4 din tabelul 6), care au cel mai scazut PDCL dintre acoperirile AR (2,4 J/cm2, respectiv

5 J/cm2), odata cu cele mai mari nivele ale incertitudinii uP (37 %, respectiv 33 %).

2. Un anumit grad de nereproductibilitate a parametrilor procesului tehnologic existent pe

unele din echipamentele utilizate de Ophir Optics in realizarea acoperirilor de tip AR.

Cu toata aceasta dispersie a rezultatelor masurarii, statistica pe un numar relativ mare de

probe a evidentiat caracteristicile intrinseci ale acoperirilor dielectrice antireflex in gama 600 nm –

1100 nm realizate de Ophir Optics: un prag de distrugere ridicat (PDCL > 17 J/cm2) si un nivel

redus al incertitudinii totale a masurarii (UC =19 %) atunci cand calitatea optica a suprafetei

substratului este corespunzatoare (v. histograma din Fig. 13).

Tabelul 9. Rezultatele masurarilor de PDCL cu fascicul laser in nanosecunde la 1064 nm. AR: acoperire dielectrica antireflex in domeniul spectral 600 nm – 1100 nm; HR: acoperire dielectrica de mare reflectivitate la lungimea de unda de 1540 nm. Nr,

cr

Nr. Sarja/ tip

acoperire dielectrica

PDCL

[J/cm2]

PDCL

[GW/cm2] uP

[%]

uΔQ

[%]

UC [%]

(PDCL in W/cm2)

1 SJ 7567 / AR 2.4 0.37 37 19 45

2 SJ 7577 / AR 9.6 1.4 14.7 4.9 19

3 SJ 7576 / AR 11.7 1.7 8.9 8.2 23

4 SJ 7575 / AR 5 0.76 33.1 17.8 39

5 SJ 7599 / AR 19 3 17.9 7.3 22

26

6 SJ 7638 / AR 18.6 2.7 10.1 6.2 16

7 SJ 7632 / AR 7 1 18.4 5.3 24

8 SJ 7631 / HR 2.6 0.4 15.1 8 20

9 SJ 7639 / AR 17.7 2.7 15.3 7.9 21

10 SJ 7648 / AR 15 2.2 14.3 6.8 19

11 SJ 7651 / AR 18.2 2.7 16.2 6.5 21

12 SJ 7655 / AR 17.6 2.6 11.8 4.8 17

13 SJ 7658 / AR 11.2 1.6 15.3 4.8 20

14 SJ 7727 / AR 14.5 2.3 15.3 5.1 20

15 SJ 7733 / AR PDCL substrat << PDCL acoperire AR

16 SJ 7729 / AR 18 2.9 11.8 6.8 18

%19~=CU

%31~=CU %20~

=CU %22~=CU

%45~=CU %19~

=CU

Fig. 13. Histograma parametrilor de rezistenta in camp laser masurati pe acoperiri tip AR produse de firma Ophir Optics SRL. Scala verticala: numarul de probe functie de PDCL.

Rezultatele detaliate ale masurarilor pentru doua probe tip AR (SJ 7538 si SJ7651) si o

proba tip HR (SJ7631) sunt date in ANEXA 2 a prezentului raport.

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

pulsuri de femtosecunde.

• A fost efectuat primul test S-on-1 pe statia automata in pulsuri de femtosecunde. Proba de

test, de tip oglinda metalica de mare reflectivitate (HR) la lungimea de unda laser de 775 nm, a fost

realizata in Laboratorul Plasma Temperatura Joasa din INFLPR. Acoperirea metalica multistrat a

fost realizata pe un substrat de sticla optica BK7, dupa cum urmeaza: un prim strat de crom de 20

27

nm grosime urmat de un strat de argint de 200 nm si de un ultim strat de aur de 20 nm. Setup-ul de

masurare al statiei automate in pulsuri de femtosecunde pentru testul S-on-1 este aratat in Fig. 14.

Atenuator variabil

L

P

XY

G 8-50 USB

DSP DD

ME

ME2

DS

SF1

M2

M3

SH

LC SF2

Laser CLARK Model CPA-2101 600 µJ @ 775 nm

Durata puls 200 fs; frecv. rep. 2 kHz PC

D

M4

M1

Fig. 14. Setup-ul de masurare al procedurii ISO S-on-1 in pulsuri de femtosecunde. L - lama semiunda; P - polarizor ; D - absorbant fascicul; SH - obturator fascicul laser; M1 – M4 - oglinzi de banda larga; DDS - detector de sit distrus; LC - lentila convergenta; SF1, SF2 - separator fascicul ; G 8-50 USB - dispozitiv GRENOUILLE 8-50-USB; DS - detector profil spatial de fascicul; ME1, ME2 - detector energie puls laser; DSP - procesor digital de semnale; XY - sistem de translatie motorizat.

Rezultatele masurarii sunt sintetizate in caracteristica S-on-1 de distrugere a probei testate,

aratata in Fig. 15. 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. 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

28

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.

Fig. 15. Caracteristica S-on-1 de distrugere a oglinzii HR@775 nm.

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.

In final, prin extrapolarea caracteristicii H0(N) pentru un numar foarte mare de pulsuri (N =

1012), se obtine nivelul de anduranta al densitatii de energie laser:

- 0 % PDCL [J/cm2] extrapolat pentru un numar mare ( N = 1012) pulsuri : densitatea de

energie H0(1012) = 0.21 J/cm2.

- 0 % PDCL [W/cm2] extrapolat pentru un numar mare ( N = 1012) pulsuri : densitatea de

putere E0(1012) = 750 GW/cm2 la o durata de puls τeff = 280 fs.

Rezultatele detaliate ale Testului S-on-1 sunt date in ANEXA 3 a prezentului raport.

• Au fost efectuate o serie de masurari cu dispozitivul GRENOUILLE 8-50-USB pentru

monitorizarea profilului temporal al pulsurilor laser ultrascurte de femtosecunde si pentru

determinarea duratei efective a acestor pulsuri, conform definitiei date de standardul ISO 21254.

Masurarile au evidentiat aparitia, cu intermitenta, a unei anumite instabilitati a formei profilului

temporal al pulsurilor laser, asa cum se arata in Fig.16 (a) – (d).

29

` (a) (b)

(c) (d)

Fig.16 (a) – (d). Diferite forme ale profilului temporal al pulsurilor laser de femtosecunde masurate cu dispozitivul GRENOUILLE 8-50-USB.

Doua surse majore de instabilitate a formei pulsurilor de femtosecunde pot fi luate in

considerare:

- Deteriorarea partiala sau dezalinierea unei componente optice din etajele de putere ale sistemului

laser CLARK CPA2101(amplificatorul regenerativ sau compresorul temporal).

- O anumita instabilitate a programului software QuickFrog al dispozitivului GRENOUILLE 8-

50-USB privind functionarea algoritmului iterativ de reconstituire a profilului temporal de puls din

datele inregistrate in amprenta FROG masurata de dispozitiv.

Intrucat nu dispunem de un dispozitiv sau o metoda alternativa de masurare a formei

pulsurilor de femtosecunde, care sa permita verificarea directa a functionarii dispozitivului

GRENOUILLE, se impune ca in continuare sa fie investigarte cu atentie ambele surse de

instabilitate mentionate mai sus.

Asa cum se poate vedea in Fig. 16, variatia duratei pulsului la jumatate din amplitudine

poate fi semnifcativa. Aceasta insemna ca, la o energie data a pulsului laser, se produce o variatie

corespunzatoare a densitatii maxime de putere a pulsului, cu efecte nedorite asupra acuratetii

masurarii PDCL prin testul S-on-1.

30

Activitatea 2.6. Initierea procesului de acreditare RENAR a LLCS pentru proceduri ISO privind

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

Calendar.

2.6.1. A fost refacuta si completata documentatia RENAR conform observatiilor facute la

prima depunere, dupa cum urmeaza:

Proceduri tehnice: PT-ISO-01 Conditii de acomodare si mediu; PT-ISO-02 Metode de

incercare; PT-ISO-03 Echipamente; PT-ISO-03-01 Programul de etalonare/verificare

metrologica externa; PT-ISO-04 Trasabilitatea masurarii; PT-ISO-05 Manipularea obiectelor

de incercat; PT-ISO-06 Asigurarea calitatii rezultatelor incercarilor; PT-ISO-07 Raportarea

rezultatelor; PT-ISO-08 Evaluarea incertitudinii de masurare a PDCL prin testul S-on-1.

Proceduri de lucru: PL-ISO-01 Intretinerea echipamentelor; PL-ISO-02 Curatarea

componentelor si materialelor optice pentru incercare; PL-ISO-03 Inspectia componentelor si

materialelor optice pentru incercare; PL-ISO-04 Test S-on-1/femtosecunde; PL-ISO-05 Test

S-on-1/nanosecunde; PL-ISO-06 Test fiabilitate Tip 2; PL-ISO-07 Masurarea duratei

efective a pulsurilor laser de nanosecunde; PL-ISO-08 Masurarea ariei efective a spotului

laser pe suprafata probei; PL-ISO-09 Masurarea duratei efective a pulsurilor laser de

femtosecunde.

Procedura organizatorica: PO-ISO-01 Organizarea Laboratorului ISOTEST.

2.6.2. A fost infiintat Laboratorul de Incercari I.S.O. de Componente si Materiale Optice,

acronim ISOTEST, in cadrul INFLPR (etapa obligatorie in procesul de acreditare RENAR),

prin Hotararea Consiliului de Administratie al INFLPR nr. 3/30.10.2012 si prin Ordinul

Ministrului Educatiei, Cercetarii, Tineretului si Sportului nr. 6356/04.12.2012.

Procedurile tehnice PT-ISO-02 Metode de incercare, PT-ISO-08 Evaluarea incertitudinii de

masurare a PDCL prin testul S-on-1 si Ordinul Ministrului nr. 6356 cu Anexa privind structura

organizatorica a INFLPR sunt aratate in ANEXA 4 a prezentului raport.

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

Lucrari stiintifice:

• Au fost prezentate 2 lucrari (delegati Dr. George Nemes si Dr. Aurel Stratan) la SPIE Laser

Damage Symposium XLIV: Annual Symposium on Optical Materials for High Power Lasers, 23-

26 Sept. 2012, NIST, Boulder, Colorado, USA:

31

- "Effective area of pulsed laser spots within ISO 21254-1,2,3 standards: critical analysis,

extensions, and measurements in near ultraviolet - near infrared domain", Paper 8530-72,

Authors: G. Nemes, A. Stratan, A. Zorila, L. Rusen.

- "Automated test station for laser-induced damage threshold measurements according to ISO

21254-1,2,3,4 standards ", Paper 8530-80, Authors: A. Stratan, G. Nemes, A. Zorila, L. Rusen, S.

Simion, C. Blanaru, C. Fenic, L. Neagu.

Cele doua lucrari au fost prezentate in a treia zi a conferintei, marti 25 septembrie, in cadrul

sectiunii "Materials and Measurements". Ambele lucrari s-au bucurat de interes din partea

participantilor, care au pus numeroase intrebari de ordin tehnic si au cerut copii dupa ce vor fi

publicate.

Mentionam ca, in cadrul sesiunii de deschidere a lucrarilor conferintei, Prof. Detlev Ristau

de la Laser Zentrum Hannover a mentionat prezenta in premiera a Romaniei la SPIE Laser

Damage Symposium (evenimentul stiintific mondial cel mai important in domeniul caracterizarii

materialelor optice pentru laseri de mare putere), cu o contributie de 4 % din totalul lucrarilor

stiintifice prezentate la aceasta editie.

In perioada 23-26 sept., pe durata derularii Simpozionului Laser Damage 2012, am

contactat si am purtat discutii cu o serie de cercetatori din centre reputate din domeniu (Prof.

Detlev Ristau, director de proiect al standardelor ISO din domeniul "laser damage", Fiz. Stefan

Schrameyer, Laser Zentrum Hannover e.V., Germania; Dr. Michael Feit, Lawrence Livermore

National Lab., SUA; Dr. Andrius Melninkaitis, Drd. Mindaugas Sciuka, Vilnius University,

Lituania; Prof. Jianda Shao, director adjunct al Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics,

China; Prof. Klaus Mann, Laser-Lab. Gottingen e.V., Germania; Prof. M.J. Soileau, University of

Central Florida, Office of Research & Commercialization, SUA; Dr. Jan Vanda, Institute of

Physics of the ASCR, Rep. Cehia; Ing. Laurent Lamaignere, Commissariat a l’Energie Atomique,

Franta) si cu reprezentanti ai unor companii de profil (Dr. Cailong Bao, Specialist in depuneri la

CVI-Melles-Griot, USA; Dr. Jeff Runkel, Laser Test Services Manager, Quantel, SUA; Dr.

Byungil Cho, Thin Film Manager, Newport Corp., SUA; Karl Peters, Business Development

Manager, Element Six Technologies, SUA).

Tematica discutiilor purtate a inclus urmatoarele aspecte:

- Caracterizarea ISO a comportarii materialelor optice iradiate cu fascicule laser de mare putere;

- Diagnoza ISO de fascicul laser si de spot laser;

- Organizarea unui studiu experimental de inter-comparare, impreuna cu Laser Zentrum Hannover

si Vilnius University, privind masurarea pragului de distrugere in camp laser (PDCL) prin

procedura ISO S-on-1 pe componente optice furnizate de Ophir Optics SRL (companie Newport

Ophir) din Bucuresti.

32

- Posibilitatea efectuarii unui stagiu de lucru la Vilnius University sau Laser-Lab. Gottingen pentru

un doctorand din echipa ISOTEST;

- Masurarea PDCL prin testul S-on-1 pe probe din diamant sintetic furnizate de Element Six

Technologies.

• A fost redactat si trimis spre publicare in Proceedings SPIE materialul pentru lucrarea

"Automated test station for laser-induced damage threshold measurements according to ISO

21254-1,2,3,4 standards".

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. ISO 21254-2:2011, "Lasers and laser-related equipment - Test methods for laser-radiation

induced damage threshold –Part 2: Threshold determination".

6. 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).

7. 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).

8. 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).

9. 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).

10. 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", SPIE Laser Damage Symposium XLIV: Annual Symposium on Optical

Materials for High Power Lasers, 23-26 Sept. 2012, NIST, Boulder, Colorado, USA, Paper 8530-

80, to be published in Proc. SPIE.

33

11. 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

Concluzii

Apreciem ca au fost indeplinite activitatile prevazute pentru perioada de raportare

22.09.2012 – 17.12.2012. Pana in prezent nu sunt de semnalat factori care ar putea intarzia

derularea planificata a activitatilor proiectului.

Director proiect Director stiintific,

Dr. George Nemes Dr. Aurel Stratan

34