ISO 21254-1:2025
(Main)Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold — Part 1: Definitions and general principles
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold — Part 1: Definitions and general principles
This document defines terms used in conjunction with, and the general principles of, test methods for determining the laser-induced damage threshold and for the assurance of optical laser components subjected to laser radiation.
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement provoqué par laser — Partie 1: Définitions et principes de base
Le présent document définit les termes et les principes de base des méthodes d'essai, permettant de déterminer le seuil d'endommagement provoqué par laser, et de vérifier les composants optiques du laser soumis à un rayonnement laser.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
International
Standard
ISO 21254-1
Second edition
Lasers and laser-related
2025-08
equipment — Test methods for
laser-induced damage threshold —
Part 1:
Definitions and general principles
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du
seuil d'endommagement provoqué par laser —
Partie 1: Définitions et principes de base
Reference number
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Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
3.1 Terms and definitions .2
3.2 Symbols and units of measurement.3
4 Units of laser irradiation, LIDT and pertinent units . 4
5 Laser damage, damage threshold and associated criteria . 4
5.1 General laser damage criteria .4
5.1.1 General .4
5.1.2 Classical criterion of laser-induced damage .5
5.1.3 Functional criterion of laser-induced damage .5
5.1.4 Failure mode.5
5.1.5 Laser-induced damage threshold (LIDT) .5
5.1.6 Functional laser-induced damage threshold (F-LIDT) .5
5.1.7 Method of damage threshold calculation .5
5.2 Techniques of laser damage interrogation and related terms .5
5.2.1 General .5
5.2.2 Classical 1-on-1 test .6
5.2.3 Classical S-on-1 test .6
5.2.4 Functional R(S)-on-1 test .6
5.2.5 Functional raster scan test.6
5.2.6 Acceptance test “pass-fail” .6
5.2.7 Laser-induced fatigue .6
5.2.8 Characteristic damage curve or fatigue curve .6
5.2.9 Laser-induced conditioning .6
5.2.10 Conditioning curve .7
5.3 Parameters of testing, sampling and reporting .7
5.3.1 Typical pulse .7
5.3.2 Laser irradiation level, L .7
5.3.3 Maximum irradiation dose .7
5.3.4 Applied irradiation dose .7
5.3.5 Target plane .7
6 Sampling . 7
7 Test methods . 8
7.1 Principle .8
7.2 Apparatus .9
7.2.1 Laser .9
7.2.2 Variable attenuator and beam delivery system .9
7.2.3 Focusing system.9
7.2.4 Specimen holder .10
7.2.5 Damage detection and inspection systems .10
7.2.6 Beam diagnostic unit .10
7.3 Preparation of specimens for testing . 13
7.4 Procedure .14
8 Accuracy of peak irradiation level .15
8.1 General . 15
8.2 Relative standard deviation of peak fluence . 15
8.3 Relative standard deviation of peak irradiance . 15
8.4 Relative standard deviation of linear power density .16
8.5 Relative standard deviation of average peak irradiance .16
iii
9 Test report . 17
Annex A (normative) General usage notes . 19
Bibliography .29
iv
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through
ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee
has been established has the right to be represented on that committee. International organizations,
governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely
with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are described
in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the different types
of ISO document should be noted. This document was drafted in accordance with the editorial rules of the
ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
ISO draws attention to the possibility that the implementation of this document may involve the use of (a)
patent(s). ISO takes no position concerning the evidence, validity or applicability of any claimed patent
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this may not represent the latest information, which may be obtained from the patent database available at
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For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and expressions
related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the World Trade
Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee SC 9,
Laser and electro-optical systems, in collaboration with the European Committee for Standardization (CEN)
Technical Committee CEN/TC 123, Lasers and photonics, in accordance with the Agreement on technical
cooperation between ISO and CEN (Vienna Agreement).
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 21254-1:2011) which has been technically
revised.
The main changes are as follows:
— functional damage criteria and functional damage threshold (F-LIDT) are introduced;
— new units of laser irradiation level are introduced;
— two new test protocols are introduced:
— extension to R(S)-on-1 test;
— extension to the raster scan test;
— integration of a new section “General usage notes” in Annex A;
— discussion on accuracy of measurement units is extended.
A list of all parts in the ISO 21254 series can be found on the ISO website.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
v
Introduction
Optical components are irreversibly damaged above the so-called laser-induced damage threshold
(otherwise referred to as LIDT or damage threshold): which is the maximum laser irradiation level at which
it is expected that there is zero probability of damage. Below the single-shot damage threshold, a delayed
damage event might also develop over time as a consequence of repetitive laser irradiation, the so-called
fatigue effect. Alternatively, repeated exposure with increasing laser irradiation can cause an increase in
the damage threshold; the so-called conditioning effect. For the vast majority of use cases, the damage tends
to develop on optical surfaces. Only on specific occasions will it occur within the bulk. Thus, if not requested
or declared otherwise, the laser-induced damage threshold is tested and reported for the entrance surface of
the optical component. For optics with high transmittance, damage may first develop at the exit surface or in
the bulk without observing a damage of the entrance surface due to radiation field enhancement effects: self-
focusing, diffraction or interference with back-reflected radiation. Back surface damage might also feature
lower damage thresholds than the entrance surface as a consequence of poor optical quality. In such cases a
functional damage threshold testing can be conducted for the exit surface. However, focusing conditions and
the functional damage criterion need to be documented in the test report. Environmental contamination by
airborne particles, volatile organic compounds, vacuum exposure, and technological imperfections such as
nodular defects of coatings, polishing scratches, Beilby layer, sub-surface damage as well as bulk inclusions,
dislocations, or inhomogeneities of any other type are also known to affect the performance of an optical
component.
[6-64]
Due to a variety of possible failure mechanisms , the experimentally estimated “damage threshold”
is an aggregated feature of optics handling, environmental conditions, material and surface preparation
techniques as well as laser-related exposure parameters such as wavelength, spot size, repetition rate, and
pulse duration. As a consequence, there is no single procedure, that could universally satisfy all the testing
needs for all the types of optical components available. Instead, different damage testing strategies evolved
to address particular needs for testing. Various parts of this document are concerned with the determination
of irreversible damage of the optical surfaces and the bulk of an optical component under the influence of
laser exposure. This document is dedicated to the fundamentals and general principles of the measurement
of laser-induced damage thresholds. Based on the apparatus outlined in ISO 21254-1, measurement
protocols for damage testing (1-on-1, S-on-1, R(S)-on-1, and Raster scan) are described in ISO 21254-2, and
acceptance testing is described in ISO 21254-3. Recommendations and associated risks pertinent to distinct
test procedures will be discussed in more detail in Annex A.
The “classical” 1-on-1 test is a damage threshold measurement procedure that uses one pulse of laser
irradiation on each unexposed test site of the specimen. In contrast, the “classical” S-on-1 measurement
program is based on a series of pulses with a constant laser irradiation level applied to each unexposed
site of the specimen. Testing with multiple laser pulses is closer to the operational conditions in the field,
however, the experimental effort necessary for S-on-1 tests is also significantly higher. The ISO 21254-series
also introduce new alternatives – concept of “functional” damage threshold and new testing protocols such
as R(S)-on-1 and Raster scan. In an R(S)-on-1 test, the same test site is irradiated with sequences of (S)
pulses while gradually increasing the irradiation level between particular irradiations until the damage is
observed. As a further extension of this measurement concept, the Raster scan technique is designed to
irradiate a significant fraction of the test sample area with spatially overlapping laser pulses. ISO 21254-3
describes the acceptance testing for a certain laser irradiation level of optical surfaces, leaving samples that
pass the test undamaged. ISO/TR 21254-4, which considers damage detection methods and the inspection
of tested surfaces, is a Technical Report which complements this document.
vi
International Standard ISO 21254-1:2025(en)
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-
induced damage threshold —
Part 1:
Definitions and general principles
WARNING — Laser exposure of toxic materials (e.g. ZnSe, GaAs, CdTe, ThF , chalcogenides, Be, Cr, Ni)
can lead to serious health hazards such as toxic fumes.
WARNING — Laser damage threshold testing involves high power lasers, the use of which may come
with significant risks, which may include, but are not limited to; eye injury to people; laser burns to
people or equipment; ignition of materials; generating debris of toxic materials in the substrate or
coating; electrical hazards. It is the responsibility of the user to comply with local guidelines and
regulations for their particular set-up.
1 Scope
This document defines terms used in conjunction with, and the general principles of, test methods for
determining the laser-induced damage threshold and for the assurance of optical laser components subjected
to laser radiation.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content constitutes
requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For undated references,
the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 11145, Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and symbols
ISO 11146-1, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam widths, divergence angles and
beam propagation ratios — Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams
ISO 11146-2, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam widths, divergence angles and
beam propagation ratios — Part 2: General astigmatic beams
ISO 21254-2, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold — Part 2:
Threshold determination
ISO 21254-3, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold — Part 3:
Assurance of laser power (energy) handling capabilities
3 Terms and definitions
For this document, the terms and definitions given in ISO 11145 and the following apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1 Terms and definitions
3.1.1
peak fluence
H
AOI adjusted radiant energy per effective area of the typical pulse
Qcos()α
H = (1)
A
T,eff
Note 1 to entry: The cosine of the angle of incidence addresses the elongation of effective beam in the projected
target plane.
3.1.2
peak irradiance
I
AOI adjusted radiant energy per effective pulse duration per effective area of the typical pulse
Qcos α
H ()
I == (2)
τ A τ
effT,eff eff
3.1.3
peak linear power density
F
AOI adjusted average power of laser irradiation per effective beam diameter
P cos α
()
av
F = (3)
d
T,eff
3.1.4
average peak irradiance
E
AOI adjusted average radiant laser power per time-averaged effective area:
P cos α
()
av
E = (4)
A
T,eff
3.1.4.1
effective area
A
T,eff
ratio of total pulse energy to peak fluence (3.1.1) in the target plane at normal incidence:
Q
A = (5)
T,eff
H
Note 1 to entry: The subscript T indicates the target plane (see 5.3.5) as a reference at normal incidence.
3.1.4.2
time averaged effective area
A
T,eff
ratio of the average power P and the time-averaged peak irradiance
av
E at normal incidence
P
av
A = (6)
T,eff
E
3.1.5
effective beam diameter
d
T,eff
diameter of the effective area (3.1.4.1) or time averaged effective area (3.1.4.2) given by twice the square root
of the effective area (3.1.4.1) or time averaged effective area (3.1.4.2) divided by π
A
T,eff
d =2 (7)
T,eff
π
3.1.6
effective pulse duration
τ
eff
ratio of pulse energy to radiant peak power
Q
τ = (8)
eff
P
pk
3.2 Symbols and units of measurement
The symbols and units of measurement used are the following:
Symbol Unit Term
λ nm wavelength
α rad angle of incidence (AOI)
p type and degree of polarization: linear (s or p), circular, elliptical, random
d cm beam diameter (peak/e level - for Gaussian beams only) at normal incidence
T
d cm effective beam diameter in the target plane at normal incidence
T,eff
A cm effective area of typical laser pulse in the target plane at normal incidence
T,eff
time-averaged effective area in the target plane corresponding to laser burst at
cm
A
T,eff
normal incidence
time- averaged numerical value of most intense pixel (or equivalent area in
scanning devices - the product of the scanning step and the distance between
E W/cm scan lines) within the beam profile taken by a radiation-sensitive array for
max
continuous wave (CW) or burst of quasi continuous wave (quasi-CW) laser
a
irradiation in the target plane at normal incidence
the total irradiated area per test, adjusted for the angle of incidence (AOI),
A cm encompassing all exposed but undamaged test sites where the irradiation level
C
is between C% and 100 % of the lowest observed damage (LOD)
τ s pulse duration at full width of half maximum (FWHM)
FWHM
τ s effective pulse duration
eff
f Hz pulse repetition rate
p
Q J pulse radiant energy
P W peak radiant power
pk
P W average radiant power
av
H J/cm peak fluence, AOI-adjusted
E W/cm average peak irradiance, AOI-adjusted
F W/cm peak linear power density, AOI-adjusted
I W/cm peak irradiance, AOI-adjusted
the value of the most intense pixel taken by a radiation-sensitive array (or
H J/cm equivalent area scanning step × scan line spacing for scanning devices) in the
max
a
target plane of a single-pulse beam profile at normal incidence
Symbol Unit Term
the value of the most intense pixel taken by a radiation-sensitive array (or
E W/cm equivalent area scanning step × scan line spacing for scanning devices) in the
max
a
target plane of a CW laser irradiation profile at normal incidence
H J/cm threshold fluence measured at normal incidence
th, norm
E W/cm threshold average irradiance measured at normal incidence
th, norm
F W/cm threshold linear power density measured at normal incidence
th, norm
I W/cm threshold irradiance measured at normal incidence
th, norm
N minimum number of laser pulses required to cause damage
min
t s time to failure – minimum exposure time required to cause damage
TTF
pulse count (or time the maximum number of pulses (or exposure time) per laser irradiation level
S
count) site
N site count total number of sites for the test
ts
the area of one sensor pixel, or for scanning devices, the product of the scan-
A cm ning step and the distance between scan lines, representing an equivalent
pix
area.
a
The definitions above assume that sensor or scan pixels or equivalent area in scanning devices - the product of
the scanning step and the distance between scan lines - are calibrated to absolute units of fluence or irradiance. De-
pending on the instrument employed for the measurement of the beam profile other (relative) units as for example
“bit counts” are often used for the measurement values H and E . For details, see 7.2.6.3.
bit,max bit,max
4 Units of laser irradiation, LIDT and pertinent units
Depending on the laser irradiation type in a field application, select the most appropriate unit(s) for defining
LIDT in accordance with A.4:
— peak fluence, H;
— peak irradiance, I;
— peak linear radiant power density, F;
— average peak irradiance, E.
NOTE As a consequence of the historical development of laser technology, alternative terms for laser irradiation
are often used in the field. In this context, the term “energy density” or “radiance exposure” (in ISO 11145) are often
assigned to the applied radiant energy per unit area (in units of J/cm ), and the term “intensity” is often used for
applied radiant power per unit area (in units of W/cm ). In view of the specific damage mechanisms and their scaling
laws related to cw-irradiation, the term “linear power density” is used in ISO 21254 series, which denotes the linear
radiant power density (in units of W/cm). To harmonize the terms and definitions, the term “fluence” designating the
radiant energy per unit area and “irradiance” designating the radiant power per unit area are used in this document.
When irradiating the target plane at an angle of incidence, α, other than 0 radians, the cosine factor shall be
included in the calculation of the laser irradiation level to account for the elongation of the effective beam.
5 Laser damage, damage threshold and associated criteria
5.1 General laser damage criteria
5.1.1 General
The estimated damage threshold is highly dependent on the chosen damage criterion (detection technique
and its sensitivity level) as well as the test protocol and total interrogated area per test. By considering the
large variety of known damage detection techniques and interrogation methods, a clear distinction between
classical and functional damage threshold shall be made when reporting test results.
5.1.2 Classical criterion of laser-induced damage
Any permanent laser-induced change or modification of the exposed region (either surface or bulk) that is
apparent by using a differential interference contrast (DIC) microscopy technique.
A microscope objective with a magnification of ×10 (at least NA = 0,25 or better) shall be used in conjunction
with a suitable imaging system or ocular lens to give a minimum magnification of ×150 for classical damage
testing. A DIC apparent laser-induced change is considered as a “damage”; non-apparent change - “no
damage”.
5.1.3 Functional criterion of laser-induced damage
Any observable or measurable (permanent or reversible) laser-induced change in the functional performance
of the optic, which can be recorded by an online or offline monitoring technique, relevant to the intended
end use application.
5.1.4 Failure mode
Nature of a specific physical mechanism or sequence of interrelated phenomena by which laser-induced
damage (failure) occurs.
5.1.5 Laser-induced damage threshold (LIDT)
LIDT estimated via classical 1-on-1 or S-on-1 interrogation method as highest quantity of laser irradiation
incident upon the optical component featuring zero probability of damage according to classical criterion
of damage.
5.1.6 Functional laser-induced damage threshold (F-LIDT)
F-LIDT is defined as the highest estimated quantity of laser irradiation incident upon the optical component
with no deterioration according to a user-defined functional criterion of damage, specific to end use
application (see Annex A for details).
5.1.7 Method of damage threshold calculation
Depending on the nature of dominant laser damage and chosen interrogation technique, the appropriate
method should be used to rate damage thresholds:
a) damage probability method:
highest irradiation level featuring zero extrapolated probability of damage for failure modes with non-
deterministic damage statistics;
b) HBFD average method:
average of two laser irradiation levels, namely “Highest Before-Damage“ and “First-Damaged” or
“Lowest Observed Damage” irradiation level for failure modes featuring deterministic damage effects
or tests routines where the damage probability is not directly measured.
5.2 Techniques of laser damage interrogation and related terms
5.2.1 General
There are three fundamental types of damage testing, namely “classical”, “functional” and “acceptance
test”. 1-on-1 and S-on-1 tests determine “classical damage thresholds” - LIDT; functional tests are used to
determine thresholds of functional optics performance – F-LIDT; acceptance tests are used to qualify optics
for a particular application.
5.2.2 Classical 1-on-1 test
Test protocol that interrogates multiple, well spatially separated test sites of the test sample, each with a
single laser pulse irradiation so that the probability of damage can be estimated as a function of the laser
irradiation level (involving transition region from 0 % to 50 % or higher).
5.2.3 Classical S-on-1 test
Test protocol that interrogates multiple, well spatially separated test sites with a maximum of S laser shots
per site. Multiple test sites are irradiated for each laser irradiation level so that the dose (time or pulses)
required to initiate damage is recorded for the given irradiation level and test site. The probability of damage
is then estimated within each pulse class of interest involving the transition from 0 % to 50 % or higher.
5.2.4 Functional R(S)-on-1 test
Test protocol that interrogates one or multiple test sites with a laser irradiation level that increases stepwise.
The laser irradiation level is increased either linearly or nonlinearly until a damage event is detected or
the maximum irradiation level of the system is reached; either a single pulse or multiple pulses (S) can be
applied for every irradiation level.
5.2.5 Functional raster scan test
Test protocol that involves scanning of a predefined test area of the sample with space-overlapped laser
irradiation so that the specified irradiation level coverage (for example 90 % of peak value) is ensured within
the entire scan area. The laser irradiation level is increased either linearly or nonlinearly until a damage
event is detected or the maximum irradiation level of the system is reached; the test area is inspected for
defects before the test and for damage after (or during) every new scan.
5.2.6 Acceptance test “pass-fail”
Test protocol that involves an exposure of test sample with a well-specified peak irradiation level, predefined
exposure time, and test area corresponding to realistic irradiation conditions of the intended application (on
either single or multiple test sites or predefined scan area). The sample is inspected before and after the test.
If no damage is observed, the optical element passes the test and is qualified for its intended application.
5.2.7 Laser-induced fatigue
Decrease of laser power (energy) handling capability of the test sample due to prolonged repetitive laser
irradiation at fixed irradiation level leading to limited lifetime.
NOTE Repetitive laser exposure below the single-shot (1-on-1) damage threshold can sometimes lead to time-
delayed damage events. Fatigue can be expressed quantitatively as a ratio between S-on-1 and 1-on-1 damage
thresholds. See also laser-induced conditioning.
5.2.8 Characteristic damage curve or fatigue curve
Laser-induced damage threshold expressed as a function of laser irradiation dose (either in pulses or time).
NOTE Characteristic damage curve is also known as fatigue curve or S-N curve.
5.2.9 Laser-induced conditioning
Increase of laser power (energy) handling capability of the test sample due to repetitive and gradually
increasing laser irradiation level over previously exposed test site or area.
NOTE The effect can be expressed quantitatively as a ratio between R(S)-on-1 and 1-on-1 damage thresholds. See
also laser-induced fatigue.
5.2.10 Conditioning curve
Graphical representation of either linear or nonlinear ramping or laser pre-irradiation history over the test
site or area prior functional damage is achieved.
NOTE Graphical markers, indicating F-LIDT (R(S)-on-1; raster scan) and reference LIDT (1-on-1) and damaging
levels can be added to the conditioning graph to visualize conditioning effects.
5.3 Parameters of testing, sampling and reporting
5.3.1 Typical pulse
Laser pulse with temporal and spatial shapes that represent the average properties of pulses in a pulse train
(burst) or CW irradiation.
5.3.2 Laser irradiation level, L
Quantity expressed in units of laser irradiation per typical pulse, that is used to expose the test site or scan
area. The laser irradiation level is typically varied during testing when interrogating specimen(s). For multi-
pulse or CW irradiation, the laser irradiation level is always bound to the total irradiation dose (expressed in
applied laser pulses or exposure time).
5.3.3 Maximum irradiation dose
Maximum amount of laser irradiation applied to a single test site for a chosen laser irradiation level in case
of no detected damage.
NOTE The amount of laser irradiation is typically expressed as total laser energy applied, however for practical
reasons it can also be represented in form of applied laser pulses or duration of continuous exposure time in
combination with the chosen units of laser irradiation level.
5.3.4 Applied irradiation dose
Amount of irradiation applied to single test site for a chosen laser irradiation level until the moment of
detected damage.
NOTE For repetitively pulsed irradiation, N is the number of incident laser pulses required to cause detectable
min
damage; for CW or quasi-CW irradiation, t is the time to failure of the time required to cause detectable damage.
TTF
5.3.5 Target plane
Plane tangential to the surface of the specimen at the point of intersection of the test laser beam axis with
the surface of the specimen.
NOTE For curved surfaces more than one target plane might be required to perform damage testing.
6 Sampling
For testing coated parts, either an actual part or a witness specimen may be chosen. If a witness specimen
is chosen for testing, the substrate material and surface finish shall be identical to that of the actual part.
In cases when test parts are coated, witness specimens shall be coated during the same coating run as the
actual part. The coating run number and date shall be identified for the specimen. In the case of a non-
uniform thickness distribution within the coating chamber, the position of the witness sample shall be well-
defined and documented to represent the coating run, in accordance with A.1.1.
Furthermore, samples should be handled and packed with care in a dust-free environment to avoid any
possible contamination before testing. It is recommended to protect optical surfaces from exposure to any
item that could cause particle or chemical contamination.
7 Test methods
7.1 Principle
The fundamental arrangement for laser damage testing is depicted in Figure 1. The output of a well-
characterized, stable laser source is adjusted to the desired maximum laser irradiation level (pulse energy
or power) by a variable attenuator. The beam is delivered to the specimen located at or near the focus (or
imaging plane) of a focusing (or imaging) system.
The specimen is mounted in a manipulator which is used to position different test sites in the beam and to
set the angle of incidence. The polarization state is set with an appropriate element or device. The incident
laser beam is sampled with a beam splitter that directs a portion of the laser energy to a beam diagnostic
unit. The beam diagnostic unit permits determination of the total pulse energy and the spatial and temporal
profiles.
Key
1 laser system
2 variable attenuator
3 polarization setting element or device
4 focusing (or imaging) system
5 beam splitter
6 beam diagnostic unit
7 online damage detector
8 specimen compartment
9 offline damage inspection system
Figure 1 — Basic approach to laser damage testing
NOTE The detectors comprising the beam diagnostics unit (for measuring for example the radiant power/energy,
the beam profile, or the temporal profile) can also be positioned at different locations in the experimental setup, as
long as the measurement is representative of the beam parameters in the target plane.
The mechanisms governing damage in optical materials are depending on the angle of incidence of the laser
beam. Therefore, LIDT-measurements shall be performed at the specified angle of incidence. The specimen
is positioned at a defined location with reference to the laser beam at the specified angle of incidence
within the specified tolerance. Depending on the test procedure, interrogation sites of the specimen are
irradiated with single laser pulses, trains (bursts) of pulses at a constant repetition rate or continuous wave
irradiation. The specimen is mounted in a holder. Except for the raster scan case, irradiation is exposed on
a stationary specimen. To avoid annealing or cross-contamination by ablation products of the unexposed
test area it is recommended that the distance between neighbouring test sites be greater than three
times the laser spot diameter d . Laser-induced damage threshold values are dependent on the operating
T
parameters of the laser system employed for testing. Accordingly, laser irradiation conditions (the pulse
repetition rate, duration, wavelength, polarization, AOI) shall match the test requirements. At higher pulse
repetition rates, the damage mechanism enters quasi-CW regime. Prolonged CW or quasi-CW exposure
can induce a heat affected zone around the interrogated test site. Preheating of unexposed neighbouring
test sites might lead to annealing effects also leading to elevated threshold. The chosen laser irradiation
conditions shall be documented in the test report. Verified scaling laws (if known) might be used to estimate
damage threshold of a specific failure mode under slightly different experimental conditions, however
scaling cannot be applied universally without prior knowledge. For a reliable testing of non-deterministic
damage, a statistically significant test area, A , shall be interrogated. The determination of intrinsic damage
C
requires fewer testing sites. The determination of the damage threshold is based on the entire data set
acquired during the complete test and subsequent microscopic inspection, not on the state of damage at any
individual site. Damage thresholds are expressed in units of the chosen laser irradiation level.
7.2 Apparatus
7.2.1 Laser
A laser providing a beam with a repeating Gaussian spatial profile, in accordance with ISO 11146-1 and
ISO 11146-2 or flat-top spatial profile, in accordance with ISO 13694, is recommended. The pulse energy
[2]
or average power shall be monitored during the measurement. For multi-pulse test procedures, a pulse
repetition rate within an error margin of ±1 % is recommended. Stability criteria for the beam parameters
shall be determined and documented in an error budget.
7.2.2 Variable attenuator and beam delivery system
For pulsed lasers generating constant power or energy, the laser output shall be attenuated to the required
level with a device that is free of drift in its transmittance and imaging properties.
The beam delivery system and the attenuator shall not affect the properties of the laser beam. In particular,
the polarization state of the laser beam shall not be altered by the beam delivery system.
7.2.3 Focusing system
The design of the focusing system should be tailored to match the specific requirements of the laser system
and the damage testing protocol, while also considering potential limitations associated with the sample
and the surrounding environment. It is crucial to prevent issues like self-focusing, chromatic aberrations,
bandwidth restrictions, thermal lensing or filamentation conditions within the beam delivery and focusing
system, or any other impact on the exposure of the specimen. Furthermore, the integrity of the focusing
[1]
system's imaging properties shall be maintained throughout the entirety of the test procedure .
For Gaussian beams, it is advisable to use optics with a clear aperture that amounts to at least three times
the beam diameter at the entrance of the focusing system. The target plane should be located at or near the
position of the focal waist. For flat-top laser beams, it is advisable to position the test surface in the image
plane of a focusing system. The effective beam diameter shall then be estimated at the location of the target
plane or equivalent plane and later documented within the test report.
For testing of the surface damage threshold in defect-dri
...
Norme
internationale
ISO 21254-1
Deuxième édition
Lasers et équipements associés
2025-08
aux lasers — Méthodes d'essai du
seuil d'endommagement provoqué
par laser —
Partie 1:
Définitions et principes de base
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-
induced damage threshold —
Part 1: Definitions and general principles
Numéro de référence
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Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vii
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
3.1 Termes et définitions .2
3.2 Symboles et unités de mesure .3
4 Unités d'irradiation laser, LIDT et unités pertinentes . 4
5 Endommagement par laser, seuil d'endommagement et critères associés . 5
5.1 Critères généraux d'endommagement par laser .5
5.1.1 Généralités .5
5.1.2 Critère classique d'un endommagement provoqué par laser .5
5.1.3 Critère fonctionnel d'un endommagement provoqué par laser.5
5.1.4 Mode de défaillance .5
5.1.5 Seuil d'endommagement provoqué par laser (LIDT) .5
5.1.6 Seuil d'endommagement fonctionnel provoqué par laser (F-LIDT) .6
5.1.7 Méthode de calcul du seuil d'endommagement .6
5.2 Techniques d'interrogation d'un endommagement par laser et termes associés .6
5.2.1 Généralités .6
5.2.2 Essai 1 sur 1 classique .6
5.2.3 Essai S sur 1 classique .6
5.2.4 Essai R(S) sur 1 fonctionnel .6
5.2.5 Essai de balayage de trames fonctionnel .7
5.2.6 Essai de réception «réussite-échec» .7
5.2.7 Fatigue provoquée par laser .7
5.2.8 Courbe d'endommagement caractéristique ou courbe de fatigue .7
5.2.9 Conditionnement provoqué par laser .7
5.2.10 Courbe de conditionnement .7
5.3 Paramètres d'essai, d'échantillonnage et de consignation .7
5.3.1 Impulsion typique .7
5.3.2 Niveau d'irradiation laser, L .8
5.3.3 Dose d'irradiation maximale .8
5.3.4 Dose d'irradiation appliquée .8
5.3.5 Plan cible.8
6 Échantillonnage . 8
7 Méthodes d'essai . 8
7.1 Principe .8
7.2 Appareillage .10
7.2.1 Laser .10
7.2.2 Atténuateur variable et système d'acheminement du faisceau .10
7.2.3 Système de focalisation .10
7.2.4 Porte-échantillon .11
7.2.5 Systèmes de détection et de contrôle de l'endommagement .11
7.2.6 Unité de diagnostic du faisceau .11
7.3 Préparation d'échantillons pour les essais . 15
7.4 Mode opératoire .16
8 Exactitude du niveau d'irradiation de crête.16
8.1 Généralités .16
8.2 Écart-type relatif de la fluence de crête .17
8.3 Écart-type relatif de l'irradiance de crête .17
8.4 Écart-type relatif de la densité de puissance linéaire .18
8.5 Écart-type relatif de l'irradiance de crête moyenne .18
iii
9 Rapport d'essai . 19
Annexe A (normative) Notes d'usage général .21
Bibliographie .33
iv
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux
de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général
confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire
partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a
été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir
www.iso.org/directives).
L’ISO attire l’attention sur le fait que la mise en application du présent document peut entraîner l’utilisation
d’un ou de plusieurs brevets. L’ISO ne prend pas position quant à la preuve, à la validité et à l’applicabilité de
tout droit de brevet revendiqué à cet égard. À la date de publication du présent document, l’ISO n'avait pas
reçu notification qu’un ou plusieurs brevets pouvaient être nécessaires à sa mise en application. Toutefois,
il y a lieu d’avertir les responsables de la mise en application du présent document que des informations
plus récentes sont susceptibles de figurer dans la base de données de brevets, disponible à l'adresse
www.iso.org/brevets. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir identifié tout ou partie de
tels droits de propriété.
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données pour
information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion de
l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles techniques au
commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-comité
SC 9, Lasers et systèmes électro-optiques, en collaboration avec le comité technique CEN/TC 123, Lasers et
photonique, du Comité européen de normalisation (CEN) conformément à l’Accord de coopération technique
entre l’ISO et le CEN (Accord de Vienne).
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 21254-1:2011), qui a fait l'objet d'une
révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes:
— des critères d'endommagement fonctionnel et un seuil d'endommagement fonctionnel (F-LIDT) sont
introduits;
— de nouvelles unités de niveau d'irradiation laser sont introduites;
— deux nouveaux protocoles d'essai sont introduits:
— extension à l'essai R(S) sur 1;
— extension à l'essai de balayage de trames;
— intégration d'une nouvelle section «Notes d'usage général» à l'Annexe A;
— la discussion sur l'exactitude des unités de mesure est étendue.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 21254 se trouve sur le site web de l'ISO.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes se
trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
v
vi
Introduction
Les composants optiques sont irréversiblement endommagés au-dessus du seuil dit d'endommagement
provoqué par laser (autrement désigné en tant que LIDT ou seuil d'endommagement): qui est le niveau
maximal d'irradiation laser auquel une probabilité d'endommagement nulle est attendue. Au-dessous du
seuil d'endommagement simple, un événement d'endommagement retardé peut également se produire au
fil du temps par suite d'une irradiation laser répétitive; il s'agit de l'effet dit de fatigue. En variante, une
exposition répétée avec une augmentation de l'irradiation laser peut entraîner une augmentation du seuil
d'endommagement, c'est-à-dire l'effet dit de conditionnement. Dans la grande majorité des cas d'utilisation,
l'endommagement tend à se produire sur les surfaces optiques. Ce n'est que dans des occasions spécifiques
qu'il se produit dans le volume. Ainsi, sauf demande ou déclaration contraire, le seuil d'endommagement
provoqué par laser est soumis à l'essai et consigné pour la surface d'entrée du composant optique. Pour
les optiques à facteur de transmission élevé, l'endommagement peut d'abord se produire au niveau de la
surface de sortie ou dans le volume sans qu’un endommagement de la surface d'entrée soit observé en raison
des effets d'amélioration du champ de rayonnement: autofocalisation, diffraction ou interférence avec le
rayonnement rétroréfléchi. L'endommagement de la surface arrière peut également présenter des seuils
d'endommagement inférieurs à ceux de la surface d'entrée par suite d'une mauvaise qualité optique. Dans
ces cas, un essai de seuil d'endommagement fonctionnel peut être réalisé pour la surface de sortie. Toutefois,
il est nécessaire que les conditions de focalisation et le critère d'endommagement fonctionnel soient
documentés dans le rapport d'essai. La contamination de l'environnement par les particules aéroportées, les
composés organiques volatils, l'exposition au vide et les imperfections technologiques telles que les défauts
nodulaires des revêtements, les rayures de polissage, la couche de Beilby, l'endommagement en sous-surface
ainsi que les inclusions dans le volume, les dislocations ou les inhomogénéités de tout autre type sont
également connus pour leur incidence sur les performances d'un composant optique.
[6-64]
Du fait d'une variété de mécanismes de défaillance possibles , le «seuil d'endommagement»
estimé expérimentalement est une caractéristique agrégée du traitement des optiques, des conditions
d'environnement, des techniques de préparation des matériaux et des surfaces, ainsi que des paramètres
d'exposition associés au laser tels que la longueur d'onde, la taille de tache, la fréquence de répétition et la
durée d'impulsion. Par conséquent, il n'existe pas de mode opératoire unique qui puisse satisfaire à tous
les besoins d'essai pour tous les types de composants optiques disponibles. Au lieu de cela, différentes
stratégies d'essai d'endommagement ont évolué pour répondre aux besoins particuliers en matière d’essais.
Diverses parties du présent document concernent la détermination de l'endommagement irréversible
des surfaces optiques et de la masse d'un composant optique soumis à l'influence d'une exposition laser.
Le présent document est dédié aux principes fondamentaux et généraux relatifs au mesurage des seuils
d'endommagement provoqué par laser. Sur la base de l'appareillage décrit dans l'ISO 21254-1, les protocoles
de mesure pour les essais d'endommagement (1 sur 1, S sur 1, R(S) sur 1, et Balayage de trames) sont décrits
dans l'ISO 21254-2, et les essais de réception sont décrits dans l'ISO 21254-3. Les recommandations et les
risques associés relatifs aux modes opératoires d'essai distincts sont discutés plus en détail à l'Annexe A.
L'essai 1 sur 1 «classique» est une méthode de mesure du seuil d'endommagement qui utilise une impulsion
d'irradiation laser sur chaque site d'essai non exposé de l'échantillon. En revanche, le programme de mesure
S sur 1 «classique» est fondé sur l'application d'une série d'impulsions ayant un niveau d'irradiation laser
constant sur chaque site non exposé de l'échantillon. Bien qu'un essai avec plusieurs impulsions laser soit
plus proche des conditions de fonctionnement sur le terrain, l'effort expérimental nécessaire pour des essais
S sur 1 est aussi beaucoup plus important. La série ISO 21254 introduit également de nouvelles alternatives –
un concept de seuil d'endommagement «fonctionnel» et de nouveaux protocoles d'essai tels que R(S) sur 1
et le Balayage de trames. Dans un essai R(S) sur 1, le même site d'essai est irradié avec des séquences
de (S) impulsions tout en augmentant progressivement le niveau d'irradiation entre les irradiations
particulières jusqu'à ce que l'endommagement soit observé. En tant qu'extension supplémentaire de ce
concept de mesure, la technique de balayage de trames est conçue pour irradier une fraction significative
de la surface de l'échantillon d'essai avec des impulsions laser à chevauchement spatial. L'ISO 21254-3
décrit les essais de réception pour un certain niveau d'irradiation laser des surfaces optiques, laissant sans
endommagement les échantillons ayant réussi l'essai. L'ISO/TR 21254-4, relatif aux méthodes de détection
de l'endommagement et au contrôle des surfaces soumises à l'essai, est un Rapport technique qui complète le
présent document.
vii
Norme internationale ISO 21254-1:2025(fr)
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes
d'essai du seuil d'endommagement provoqué par laser —
Partie 1:
Définitions et principes de base
AVERTISSEMENT — L'exposition laser de matériaux toxiques (par exemple ZnSe, GaAs, CdTe, ThF ,
chalcogénures, Be, Cr, Ni) peut engendrer de sérieux risques pour la santé tels que des fumées
toxiques.
AVERTISSEMENT — Les essais du seuil d'endommagement par laser impliquent des lasers de
puissance élevée, dont l'utilisation peut s'accompagner de risques significatifs, qui peuvent
comprendre, sans s’y limiter; les lésions oculaires; les brûlures laser pour les personnes ou
l'équipement; l'inflammation de matériaux; la production de débris de matériaux toxiques dans
le substrat ou le revêtement; les phénomènes dangereux électriques. Il est de la responsabilité de
l'utilisateur de se conformer aux lignes directrices et réglementations locales pour leur montage
particulier.
1 Domaine d'application
Le présent document définit les termes et les principes de base des méthodes d'essai, permettant de
déterminer le seuil d'endommagement provoqué par laser, et de vérifier les composants optiques du laser
soumis à un rayonnement laser.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour
les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 11145, Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et symboles
ISO 11146-1, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai des largeurs du faisceau, angles de
divergence et facteurs de limite de diffraction — Partie 1: Faisceaux stigmatiques et astigmatiques simples
ISO 11146-2, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai des largeurs du faisceau, angles de
divergence et facteurs de limite de diffraction — Partie 2: Faisceaux astigmatiques généraux
ISO 21254-2, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement provoqué
par laser — Partie 2: Détermination du seuil
ISO 21254-3, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement provoqué
par laser — Partie 3: Possibilités de traitement par puissance (énergie) laser
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et les définitions de l'ISO 11145 ainsi que les suivants
s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en normalisation,
consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
3.1 Termes et définitions
3.1.1
fluence de crête
H
énergie rayonnante ajustée à l'AOI par surface effective de l'impulsion typique
Qcos()α
H = (1)
A
T,eff
Note 1 à l'article: Le cosinus de l'angle d'incidence concerne l'allongement du faisceau effectif dans le plan cible projeté.
3.1.2
irradiance de crête
I
énergie rayonnante ajustée à l'AOI par durée effective d'impulsion par surface effective de l'impulsion typique
Qcos α
H ()
I == (2)
τ A τ
effT,eff eff
3.1.3
densité de puissance linéaire de crête
F
puissance moyenne ajustée à l'AOI de l'irradiation laser par diamètre effectif du faisceau
P cos α
()
av
F = (3)
d
T,eff
3.1.4
irradiance de crête moyenne
E
puissance laser rayonnante moyenne ajustée à l'AOI par surface effective moyennée dans le temps:
P cos α
()
av
E = (4)
A
T,eff
3.1.4.1
surface effective
A
T,eff
rapport de l'énergie totale d'impulsion à la fluence de crête (3.1.1) dans le plan cible à
une incidence normale:
Q
A = (5)
T,eff
H
Note 1 à l'article: L'indice T indique le plan cible (voir 5.3.5) comme référence à une incidence normale.
3.1.4.2
surface effective moyennée dans le temps
A
Te, ff
rapport de la puissance moyenne P et de l'irradiance de crête
av
moyennée dans le temps E à une incidence normale
P
av
A = (6)
T,eff
E
3.1.5
diamètre effectif du faisceau
d
T,eff
diamètre de la surface effective (3.1.4.1) ou surface effective moyennée dans le temps (3.1.4.2) donné par le
double de la racine carrée de la surface effective (3.1.4.1) ou surface effective moyennée dans le temps (3.1.4.2)
divisée par π
A
T,eff
d =2 (7)
T,eff
π
3.1.6
durée effective d'impulsion
τ
eff
rapport de l'énergie d'impulsion à la puissance rayonnante de crête
Q
τ = (8)
eff
P
pk
3.2 Symboles et unités de mesure
Les symboles et les unités de mesure sont présentés ci-dessous:
Symbole Unité Terme
λ nm longueur d'onde
α rad angle d'incidence (AOI)
p type et degré de polarisation: linéaire (s ou p), circulaire, elliptique, aléatoire
d cm diamètre du faisceau (niveau maximal/e - pour les faisceaux gaussiens seulement)
T
à une incidence normale
d cm diamètre effectif du faisceau dans le plan cible à une incidence normale
T,eff
A cm surface effective d'une impulsion laser typique dans le plan cible à une incidence
T,eff
normale
cm surface effective moyennée dans le temps dans le plan cible correspondant à une
A
T,eff
rafale laser à une incidence normale
W/cm valeur numérique moyennée dans le temps du pixel le plus intense (ou surface
E
max
équivalente dans les dispositifs de balayage – le produit du pas de balayage et de
l'espacement entre les lignes de balayages) à l'intérieur du profil de faisceau pris
par une matrice sensible aux rayonnements pour une irradiation laser à ondes
continues (CW) ou en rafale d'ondes quasi continues (quasi-CW) dans le plan cible à
a
une incidence normale
A cm la surface totale irradiée par essai, ajustée à l'angle d'incidence (AOI), englobant
C
tous les sites d'essai exposés mais sans endommagement où le niveau d'irradiation
est entre C% et 100 % de l'endommagement observé le plus faible (LOD)
a
Les définitions ci-dessus supposent que le capteur ou les pixels de balayage ou la surface équivalente dans les dispositifs de
balayage - le produit du pas de balayage et l'espacement entre les lignes de balayage - sont calibrés en unités absolues de fluence
ou d'irradiance.
En fonction de l'instrument utilisé pour mesurer le profil du faisceau, d'autres unités (relatives) comme par exemple le «nombre
de bits», sont souvent utilisées pour les valeurs de mesure H et E . Pour des détails, voir 7.2.6.3.
bit,max bit,max
Symbole Unité Terme
τ s durée d'impulsion à la pleine largeur de la moitié du maximum (FWHM)
FWHM
τ s durée effective d'impulsion
eff
f Hz fréquence de répétition des impulsions
p
Q J énergie rayonnante d'impulsion
P W puissance rayonnante de crête
pk
P W puissance rayonnante moyenne
av
H J/cm fluence de crête, ajustée à l'AOI
E W/cm irradiance de crête moyenne, ajustée à l'AOI
F W/cm densité de puissance linéaire de crête, ajustée à l'AOI
I W/cm irradiance de crête, ajustée à l'AOI
H J/cm la valeur du pixel le plus intense prise par une matrice sensible aux rayonnements
max
(ou surface du pas de balayage équivalente x espacement des lignes de balayage
pour les dispositifs de balayage) dans le plan cible d'un faisceau à impulsion simple
a
à une incidence normale
E W/cm2 la valeur du pixel le plus intense prise par une matrice sensible aux rayonnements
max
(ou surface de pas de balayage équivalente x espacement des lignes de balayage
pour les dispositifs de balayage) dans le plan cible d'un profil de rayonnement laser
a
CW à une incidence normale
H J/cm seuil de fluence mesurée à une incidence normale
th, norm
E W/cm seuil d'irradiance moyenne mesurée à une incidence normale
th, norm
F W/cm densité de puissance linéaire de seuil mesurée à une incidence normale
th norm
I W/cm irradiance de seuil mesurée à une incidence normale
th norm
N nombre minimal d'impulsions laser exigé pour provoquer un endommagement
min
t s temps avant défaillance - temps d'exposition minimal exigé pour provoquer un
TTF
endommagement
S nombre d'impul- nombre maximal d'impulsions (ou temps d'exposition) par site de niveau d'irradia-
sions (ou temps tion laser
compté)
N nombre de sites nombre total de sites pour l'essai
ts
la surface d'un pixel de capteur, ou pour les dispositifs de balayage, le produit de
A cm l'étape de balayage et la distance entre les lignes de balayage, représentant une
pix
surface équivalente
a
Les définitions ci-dessus supposent que le capteur ou les pixels de balayage ou la surface équivalente dans les dispositifs de
balayage - le produit du pas de balayage et l'espacement entre les lignes de balayage - sont calibrés en unités absolues de fluence
ou d'irradiance.
En fonction de l'instrument utilisé pour mesurer le profil du faisceau, d'autres unités (relatives) comme par exemple le «nombre
de bits», sont souvent utilisées pour les valeurs de mesure H et E . Pour des détails, voir 7.2.6.3.
bit,max bit,max
4 Unités d'irradiation laser, LIDT et unités pertinentes
En fonction du type d'irradiation laser dans une application de terrain, choisir l'unité ou les unités la (les)
plus appropriée(s) pour définir le LIDT conformément au A.4:
— fluence de crête, H;
— irradiance de crête, I;
— densité de puissance rayonnante linéaire de crête, F;
— irradiance de crête moyenne, E.
NOTE Par suite du développement historique de la technologie laser, d'autres termes pour l'irradiation laser sont
souvent utilisés sur le terrain. Dans ce contexte, le terme «densité d'énergie» ou «exposition au rayonnement» (dans
l'ISO 11145) est souvent attribué à l'énergie rayonnante appliquée par unité de surface (en unités de J/cm ) et le terme
«intensité» est souvent utilisé pour la puissance rayonnante appliquée par unité de surface (en unités de W/cm ).
Au regard des mécanismes d'endommagement spécifiques et de leurs lois de mise à l'échelle liées à l'irradiation CW,
le terme «densité de puissance linéaire» est utilisé dans la série ISO 21254, qui désigne la densité de puissance
rayonnante linéaire (en unités de W/cm). Pour harmoniser les termes et les définitions, les terme «fluence» désignant
l'énergie rayonnante par unité de surface et «irradiance» désignant la puissance rayonnante par unité de surface sont
utilisés dans le présent document.
Lors de l'irradiation du plan cible à un angle d'incidence, α, autre que 0 radian, le facteur cosinus doit être
inclus dans le calcul du niveau d'irradiation laser pour tenir compte de l'allongement du faisceau effectif.
5 Endommagement par laser, seuil d'endommagement et critères associés
5.1 Critères généraux d'endommagement par laser
5.1.1 Généralités
Le seuil d'endommagement estimé dépend fortement du critère d'endommagement choisi (technique
de détection et son niveau de sensibilité) ainsi que du protocole d'essai et de la surface totale interrogée
par essai. En prenant en compte la grande variété de techniques de détection et méthodes d'interrogation
d'endommagement connues, une distinction claire doit être faite entre le seuil d'endommagement classique
et le seuil d'endommagement fonctionnel lors de la déclaration de résultats d'essai.
5.1.2 Critère classique d'un endommagement provoqué par laser
Tout changement ou toute modification permanent(e) de la région exposée (en surface ou dans le volume)
provoqué(e) par laser, qui est apparent(e) en utilisant une technique de microscopie à contraste interférentiel
différentiel (DIC).
Un objectif de microscope ayant un grossissement de x10 (au moins NA = 0,25 ou mieux) doit être utilisé
conjointement avec un système d'imagerie ou une lentille oculaire adapté(e) pour donner un grossissement
minimal de x150 pour des essais d'endommagement classiques. Un changement apparent provoqué par
laser relevé en utilisant une DIC est considéré comme un «endommagement»; un changement non apparent,
comme une «absence d'endommagement».
5.1.3 Critère fonctionnel d'un endommagement provoqué par laser
Tout changement provoqué par laser (permanent ou réversible) observable ou mesurable dans les
performances fonctionnelles de l'optique, qui peut être enregistré par une technique de surveillance en ligne
ou hors ligne, pertinent pour l'application de l'utilisation finale prévue.
5.1.4 Mode de défaillance
Nature d'un mécanisme physique spécifique ou d'une séquence de phénomènes interdépendants par lequel
(laquelle) un endommagement (défaillance) provoqué par laser se produit.
5.1.5 Seuil d'endommagement provoqué par laser (LIDT)
LIDT estimé au moyen de la méthode d'interrogation 1 sur 1 ou S sur 1 classique comme étant la
grandeur la plus élevée d'irradiation laser incidente sur le composant optique présentant une probabilité
d'endommagement nulle selon le critère classique d'endommagement.
5.1.6 Seuil d'endommagement fonctionnel provoqué par laser (F-LIDT)
Le F-LIDT est défini comme la grandeur estimée la plus élevée d'irradiation laser incidente sur le composant
optique sans détérioration selon un critère fonctionnel d'endommagement défini par l'utilisateur, spécifique
à l'application de l'utilisation finale (voir Annexe A pour des détails).
5.1.7 Méthode de calcul du seuil d'endommagement
En fonction de la nature de l'endommagement par laser dominant et de la technique d'interrogation choisie,
il convient que la méthode appropriée soit utilisée pour évaluer les seuils d'endommagement:
a) méthode de probabilité d'endommagement:
niveau d'irradiation le plus élevé présentant une probabilité d'endommagement extrapolée nulle pour
des modes de défaillance ayant des statistiques d'endommagement non déterministes;
b) méthode de moyenne HBFD:
moyenne de deux niveaux d'irradiation laser, à savoir le niveau d'irradiation «Highest Before-Damage»
(«Le plus élevé avant.») et le niveau d'irradiation «First-Damaged» («Premier endommagement») ou
le niveau d'irradiation «Lowest Observed Damage» («Endommagement le plus bas observé») pour des
modes de défaillance présentant des effets d'endommagement déterministes ou des routines d'essais où
la probabilité d'endommagement n'est pas directement mesurée.
5.2 Techniques d'interrogation d'un endommagement par laser et termes associés
5.2.1 Généralités
Il existe trois types fondamentaux d'essais d'endommagement, à savoir «classique», «fonctionnel» et «essai
de réception». Les essais 1 sur 1 et S sur 1 déterminent «les seuils d'endommagement classiques» - LIDT;
les essais fonctionnels sont utilisés pour déterminer les seuils de performances optiques fonctionnelles -
F-LIDT; les essais de réception sont utilisés pour qualifier les optiques pour une application particulière.
5.2.2 Essai 1 sur 1 classique
Protocole d'essai qui interroge plusieurs sites d'essai de l'échantillon d'essai spatialement bien séparés,
chacun avec une irradiation laser à impulsion simple, de sorte que la probabilité d'endommagement puisse
être estimée en fonction du niveau d'irradiation laser (impliquant une région de transition allant de 0 %
à 50 % ou plus).
5.2.3 Essai S sur 1 classique
Protocole d'essai qui interroge plusieurs sites d'essai de l'échantillon d'essai spatialement bien séparés,
avec un maximum de S irradiations laser par site. Plusieurs sites d'essai sont irradiés pour chaque niveau
d'irradiation laser de sorte que la dose (temps ou impulsions) exigée pour initier un endommagement soit
enregistrée pour le niveau d'irradiation et le site d'essai donnés. La probabilité d'endommagement est alors
estimée à l'intérieur de chaque classe d'impulsions d'intérêt impliquant la transition de 0 % à 50 % ou plus.
5.2.4 Essai R(S) sur 1 fonctionnel
Protocole d'essai qui interroge un ou plusieurs sites d'essai avec un niveau d'irradiation laser qui augmente
progressivement. Le niveau d'irradiation laser est augmenté linéairement ou non linéairement jusqu'à ce
qu'un événement d'endommagement soit détecté ou que le niveau maximal d'irradiation du système soit
atteint; une impulsion unique ou plusieurs impulsions (S) peuvent être appliquées pour chaque niveau
d'irradiation.
5.2.5 Essai de balayage de trames fonctionnel
Protocole d'essai qui implique le balayage d'une zone d'essai prédéfinie de l'échantillon avec une irradiation
laser à chevauchement spatial, de sorte que la couverture du niveau d'irradiation spécifiée (par exemple
90 % de la valeur de crête) soit assurée dans la zone de balayage entière. Le niveau d'irradiation laser est
augmenté linéairement ou non linéairement jusqu'à ce qu'un événement d'endommagement soit détecté ou
que le niveau maximal d'irradiation du système soit atteint; la zone d'essai est contrôlée pour détecter les
défauts avant l'essai et pour détecter un endommagement après (ou pendant) chaque nouveau balayage.
5.2.6 Essai de réception «réussite-échec»
Protocole d'essai qui implique une exposition d'un échantillon d'essai avec un niveau d'irradiation de
crête bien spécifié, un temps d'exposition prédéfini, et une zone d'essai correspondant à des conditions
d'irradiation réalistes de l'application prévue (sur un ou plusieurs sites d'essai ou une zone de balayage
prédéfinie). L'échantillon est contrôlé avant et après l'essai. En cas d'absence d'endommagement, l'élément
optique réussi l'essai et est confirmé pour son application d'utilisation prévue.
5.2.7 Fatigue provoquée par laser
Diminution de la capacité de traitement par puissance (énergie) laser de l'échantillon d'essai due à une
irradiation laser répétitive prolongée à un niveau d'irradiation fixe conduisant à une durée de vie limitée.
NOTE Une exposition laser répétitive au-dessous du seuil d'endommagement simple (1 sur 1) peut parfois
conduire à des événements d'endommagement retardés dans le temps. La fatigue peut être exprimée quantitativement
sous la forme d'un rapport entre les seuils d'endommagement S sur 1 et 1 sur 1. Voir également le conditionnement
provoqué par laser.
5.2.8 Courbe d'endommagement caractéristique ou courbe de fatigue
Seuil d'endommagement provoqué par laser exprimé en fonction de la dose d'irradiation laser (en impulsions
ou en temps).
NOTE La courbe d'endommagement caractéristique est également appelée courbe de fatigue ou courbe S-N.
5.2.9 Conditionnement provoqué par laser
Augmentation de la capacité de traitement par puissance (énergie) laser de l'échantillon d'essai due à
une irradiation laser répétitive d'un niveau augmentant progressivement sur le site ou la zone d'essai
précédemment exposé(e).
NOTE L'effet peut être exprimé quantitativement sous la forme d'un rapport entre les seuils d'endommagement
R(S) sur 1 et 1 sur 1. Voir également la fatigue provoquée par laser.
5.2.10 Courbe de conditionnement
Représentation graphique de l'historique d'accroissement linéaire ou non linéaire ou de la pré-irradiation
laser sur le site ou la zone d'essai avant qu'un endommagement fonctionnel ne soit obtenu.
NOTE Des marqueurs graphiques, indiquant le F-LIDT (R(S) sur 1; balayage de trames) et le LIDT de référence
(1 sur 1) et les niveaux préjudiciables peuvent être ajoutés au graphique de conditionnement pour visualiser les effets
de conditionnement.
5.3 Paramètres d'essai, d'échantillonnage et de consignation
5.3.1 Impulsion typique
Impulsion laser ayant des formes temporelles et spatiales qui représentent les propriétés moyennes des
impulsions d'un train d'impulsions (rafale) ou d'une irradiation CW.
5.3.2 Niveau d'irradiation laser, L
Grandeur exprimée en unités d'irradiation laser par impulsion typique, qui est utilisée pour exposer le site
d'essai ou la zone de balayage. Le niveau d'irradiation laser varie habituellement pendant les essais lors de
l'interrogation d'échantillon(s). Pour une irradiation à plusieurs impulsions ou une irradiation CW, le niveau
d'irradiation laser est toujours lié à la dose d'irradiation totale (exprimée en impulsions laser appliquées ou
en temps d'exposition).
5.3.3 Dose d'irradiation maximale
Quantité maximale d'irradiation laser appliquée à un site d'essai unique pour un niveau d'irradiation laser
choisi en cas d'absence de détection d'endommagement.
NOTE La quantité d'irradiation laser est habituellement exprimée en tant qu'énergie laser totale appliquée;
cependant, pour des raisons pratiques, elle peut également être représentée sous forme d'impulsions laser appliquées
ou de temps d'exposition continue en combinaison avec les unités choisies de niveau d'irradiation laser.
5.3.4 Dose d'irradiation appliquée
Quantité d'irradiation appliquée à un site d'essai unique pour un niveau d'irradiation laser choisi jusqu'au
moment de détection d'un endommagement.
NOTE Pour une irradiation par impulsions répétitives, N est le nombre d'impulsions laser incidentes exigé pour
min
provoquer un endommagement détectable; pour une irradiation CW ou quasi-CW, le t est le temps avant défaillance
TTF
temps exigé pour provoquer un endommagement détectable.
5.3.5 Plan cible
Plan tangentiel à la surface de l'échantillon, au point d'intersection de l'axe du faisceau laser d'essai avec la
surface de l'échantillon.
NOTE Pour les surfaces courbées, plus d'un plan cible peut être exigé pour réaliser des essais d'endommagement.
6 Échantillonnage
Pour les essais de parties revêtues, il est possible de choisir un composant réel ou une échantillon témoin.
Dans ce dernier cas, le matériau du substrat et le fini de surface doivent être identiques à ceux du composant
réel. Dans les cas où des parties d'essai sont revêtues, le traitement optique des échantillons témoins doit
être effectué lors de la même opération que celui du composant réel. Le numéro de l'opération de traitement
et la date correspondante doivent être marqués sur l'échantillon. Dans le cas d'une distribution d'épaisseurs
non uniforme à l'intérieur de la chambre de revêtement, la position de l'échantillon témoin doit être bien
définie et documentée pour représenter l'opération de traitement, conformément au A.1.1.
En outre, il convient que les échantillons soient manipulés et emballés avec soin dans un environnement
exempt de poussière pour éviter toute contamination possible avant les essais. Il est recommandé de protéger
les surfaces optiques contre une exposition à tout élément susceptible de provoquer une contamination
particulaire ou chimique.
7 Méthodes d'essai
7.1 Principe
La configuration de base des essais d'endommagement par laser est présentée à la Figure 1. La sortie d'une
source laser stable bien caractérisée est ajustée au niveau maximal d'irradiation laser souhaité (énergie
d'impulsion ou puissance) par un atténuateur variable. Le faisceau est acheminé jusqu'à l'échantillon situé
au niveau ou à proximité du foyer (ou du plan d'imagerie) d'un système de focalisation (ou d'imagerie).
L'échantillon est monté dans un manipulateur servant à positionner les différents site
...
Questions, Comments and Discussion
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