作者：叶gx 时间：2024-12-24
国际标准ISO21254-2，激光和激光相关设备 — 激光损伤阈值标准测试方法 — 第 2 部分：阈值确定
前言
ISO（国际标准化组织）是各国标准机构（ISO成员机构）的全球性联合会，制定国际标准的工作通常通过ISO技术委员会进行。每个对已成立技术委员会的主题感兴趣的成员机构都有权在该委员会中派代表，与ISO联络的政府和非政府国际组织也参与这项工作，ISO与国际电工委员会（IEC）在所有电工标准化事务上密切合作。
国际标准是根据 ISO/IEC 指令第 2 部分中给出的规则起草的。
技术委员会的主要任务是制定国际标准，技术委员会通过的国际标准草案将分发给成员机构进行投票，作为国际标准发布需要至少 75% 的成员机构投票批准。
请注意，本文件的某些元素可能成为专利权的主题，ISO 不负责识别任何或所有此类专利权。
ISO21254-2 由技术委员会 ISO/TC 172、光学和光子学、小组委员会 SC 9、电光系统制定。
ISO21254-2:2011 第一版与 ISO 21254-1:2011 一起取消并取代了已进行技术修订的 ISO 11254-1:2000 和 ISO 11254-2:2001。
ISO 21254国际标准 由以下部分组成，总标题为“激光器和激光相关设备 — 激光诱导损伤阈值测试方法”：
⎯ 第1部分：定义和一般原则
⎯ 第 2 部分：阈值确定
⎯ 第 3 部分：激光功率（能量）处理能力保证
⎯ 第 4 部分：检查、检测和测量 [技术报告]
简介
ISO 21254国际标准的这一部分规定了确定光学元件（包括镀膜和未镀膜）单次和多次激光损伤阈值标准 (LIDT) 的测试方法。目的是提供能够获得一致测量结果的方法，并能够在不同的测试实验室之间快速准确地进行比较。
在光学元件损伤阈值单次测试（在本国际标准中称为1-on-1测试）中，样品表面的每个未暴露位置仅受到一次激光辐射脉冲。在低于单次损伤测量水平的辐射水平下，重复的激光辐射脉冲可能会损坏光学元件，或以其他方式导致其劣化。除了由热加热和变形引起的可逆效应外，还观察到由于老化、微损伤和缺陷的产生或迁移而导致的不可逆损伤。光学质量的下降取决于激光操作参数和元件所在的光学系统。多次发射测试（称为 S-on-1 测试）基于一种协议，该协议在每个未暴露的测试部位使用一系列具有恒定能量密度的脉冲。
除了基于 1-on-1 测试生存曲线的评估技术外，ISO 21254国际标准的这一部分光学元件损伤阈值还描述了两种减少从 S-on-1 损伤测试中获得的原始数据的方法：一种使用特征损伤曲线，另一种使用外推技术。特征损伤曲线法要求在样品光学表面的大量位置进行 S-on-1 测试，并生成一组三张图表，指示选定脉冲数的损伤概率 10%、50% 和 90% 对应的能量密度值。特征损伤曲线代表完整和扩展的激光诱导损伤测试的结果，建议用于新开发或关键激光光学的基本研究。S-on-1 测试的第二种方法，即外推法，使用的测试点数量要少得多。该方法生成了损伤阈值行为与每个点脉冲数的关系的损伤和未损伤区域分布图。该图的可靠性有限，但可用于已通过完整损伤测试的光学激光元件的质量控制或作为扩展损伤测试准备工作的一部分。
适用于工业应用的实际激光损伤阈值标准测试需要大量脉冲（109 到 1011 个脉冲），因此需要不成比例的实验成本。因此，ISO 21254 的这一部分光学元件损伤阈值还概述了通过外推特征损伤曲线获得 S-on-1 阈值的程序，以便估算光学元件的实际寿命。
注意：应该认识到，受到重复脉冲辐射的光学元件的激光诱导损伤阈值可能受到各种不同退化机制的影响，包括污染、热加热、迁移或内部缺陷的产生以及结构变化。这些机制受激光操作参数、环境和组件安装条件的影响。出于这些原因，有必要记录所有参数，并记住在不同操作条件下进行的测试中损伤行为可能有所不同。 ISO 21254 本部分中描述的测试程序适用于所有激光波长和脉冲长度的组合。但是，测量必须是在相同波长、使用相同脉冲长度和光束直径下进行的，否则激光损伤阈值数据的比较可能会产生误导。ISO 21254-1 给出了激光诱导损伤阈值测量的定义和一般原则。
激光器和激光相关设备 — 激光诱导损伤阈值测试方法 — 第 2 部分：阈值确定
警告 — 损伤数据的推断可能导致对激光诱导损伤阈值的估计过高。对于有毒物质（例如 ZnSe、GaAs、CdTe、ThF4、硫族化物、Be、Cr、Ni），这可能导致严重的健康危害。有关进一步评论，请参阅 ISO 21254-1:2011，附件 A。
1 范围
ISO 21254 的这一部分描述了用于确定光学激光元件激光诱导损伤阈值的 1-on-1 和 S-on-1 测试。它适用于所有类型的激光器和所有操作条件。
2 规范性引用文件
下列引用文件对于本文件的应用是必不可少的。对于注明日期的引用，仅引用的版本适用。对于未注明日期的引用，引用文件的最新版本（包括任何修订）适用。
ISO 11145，光学和光子学 - 激光和激光相关设备 - 词汇和符号
ISO 21254-1:2011，激光和激光相关设备 - 激光诱导损伤阈值的测试方法 - 第 1 部分：定义和一般原则
3 术语和定义
就本文件而言，ISO 11145和ISO 21254-1中给出的术语和定义适用。
4 测试方法
4.1 总则
ISO 21254-1描述了激光诱导损伤阈值测量的一般原理以及所使用的设备和采样技术。
4.2 1-on-1测试方法
4.2.1 总则
在1-on-1测试中，样品表面的每个未暴露位置都暴露在具有定义光束参数的单个激光脉冲下。根据实验数据，绘制一个描绘损伤概率与能量密度或功率密度函数关系的图。
4.2.2 测试参数
测试设备应具有 ISO 21254-1:2011, 6.2.6.5 中所述的参数。
4.2.3 程序
测试点位于光束中，用不同能量密度或功率密度的单次激光辐射照射。将至少十个点暴露于一个预选脉冲能量（或光束功率）下，并记录每个点的实际脉冲能量（或光束功率）由光束诊断单元测量以及照射后的损伤状态（损伤或无损伤）。对其他脉冲能量或光束功率重复此顺序。所采用的脉冲能量或光束功率范围应足够宽，以包括导致任何位置均无损伤的低值和导致每个测试位置发生损伤的足够高的值。
4.2.4 测量评估
损伤阈值数据通过损伤概率法获得。为了绘制损伤概率与激光诱导损伤阈值的表示量的关系图，通过计算损伤点数与总测试点数之比来确定每个能量密度或功率密度增量的损伤概率。将损伤概率数据线性外推至零损伤概率可得出阈值。图 1 显示了一个例子。
X能量，单位：毫焦耳
Y 损坏概率
注意：测试条件如下：d86,5 = 1,44 mm，λ = 10,6 µm，τH = 100 ns，尾部 3,5 µs（TEA CO2 激光），
样本：KBr 镜片，50 个，直径 40 mm。
图 1 — 根据实验数据确定损伤阈值的图表
如果激光系统的脉冲能量变化很大，则允许将样品暴露于任意脉冲能量下，并在测试后根据适当的能量间隔对数据进行排序。
注1：附录 A 和附录 C 分别介绍了针对 1-on-1 和 S-on-1 测试的高效测量程序示例，这些示例可对给定数量的点提供最大的精度。
注2：样品位置处的测试光束直径会影响测量结果。因此，在整个测量过程中，光束直径必须保持不变。
4.3 S-on-1 测试方法
4.3.1 概述
为了确定 S-on-1 损伤阈值，需要扩展 1-on-1 测试损伤阈值测量的设置和程序。但是，如果在线损伤检测系统与 Nomarski 型微分干涉对比显微镜相结合，则 S-on-1 测试的测量设备可用于1-on-1 测量。建议在线损伤检测系统具有切断后续脉冲和停止脉冲计数器的功能。
4.3.2 测试参数
测试设备应具有 ISO 21254-1:2011，6.2.6.5 中描述的参数以及以下附加参数：
a) 每个点的脉冲数S；
b) 每个测试的总站点数 Nts
注：对于 S-on-1 试验，ISO 21254-1:2011，6.2.6.5 d) 至 g) 中给出的参数参考 ISO 21254-1:2011，6.2.6.4 中定义的典型脉冲的属性。
4.3.3 程序
将未暴露的测试点置于光束中，并用一系列 S 脉冲照射，该系列脉冲的典型能量为 Qtp。如果在线损伤检测系统在 S 脉冲系列完成之前观察到损伤，则停止照射该点并记录最小脉冲数 Nmin。
对不同能量的典型脉冲重复此过程。脉冲数 S 在整个测试过程中应保持不变，并且应选择 S-on-1 测试记录样品特定的激光诱导损伤行为。
4.3.4 测量评估
4.3.4.1概述
检查样品后，上述 S-on-1 测试的结果是以下类型的数据点文件。
(Qtp, Nmin)，其中 Nmin ≤ S 在发生损坏的情况下，
(Qtp, S) 未检测到损坏时
可以使用特征损伤曲线（见 4.3.4.2）或外推法（见 4.3.4.3）对获得的数据（见图 2）进行评估。使用特征损伤曲线的方法可以准确确定激光诱导损伤阈值。这种精确的技术应该用于基础研究和原型部件的测试。另一方面，外推法是一种用于估计大量脉冲的 S-on-1 阈值的实用技术。
4.3.4.2特征损伤曲线
执行确定 S-on-1 损伤阈值的程序（见 4.3.3）并记录所得的数据点文件。为了使评估具有足够的意义，应对典型脉冲的每个能量值 Qtp 测试最少数量的 Nms 点。此最少数量的 Nms 点可以通过以下关系近似：
Nms = 5 × (1 + log10S) 的积分值 (1)
所采用的典型脉冲能量 Qtp 的范围应足够宽，以包括对应于零损伤概率的点以及对应于 100% 损伤概率的点。
根据以下数据缩减技术，计算出规定数量的脉冲 N 和指定能量 Q 的损伤概率值。
能量尺度被划分为一系列区间 [Q − ∆Q,,Q + ∆Q)，涵盖实验装置可访问的能量范围。为了计算特定能量 Q 和选定脉冲数 N 的损伤概率，从数据点文件中选择 Qtp = [Q − ∆Q,,Q + ∆Q) 的数据点。Nmin ≤ N 的数据点对应于受损部位，而 Nmin > N 或 S ≥ N 的数据点对应于所考虑的能量区间内未受损部位。能量 Q 的损伤概率计算为对应于受损部位的数据点数与评估中考虑的总数据点数之比。
注1：必须选择 ∆Q 的值，以便有相当一部分数据点可用于不同的间隔[Q − ∆Q,,Q + ∆Q)。∆Q 的值在评估过程中保持不变，并决定阈值的统计误差。附件 C 中给出了一个具有适当选择参数的有效测量程序示例。
对能量 Q 的其他值重复此过程，以生成所选脉冲数 N 的损伤概率值数据集。结果数据集表示损伤概率曲线上的离散点，该曲线与典型脉冲的能量相对应。从该曲线中，通过外推法推导出相应损伤概率值 10%、50% 和 90% 的能量值 Q10、Q50 和 Q90。
将损伤概率曲线线性外推至零损伤概率，得到阈值能量（见 4.2.4），该阈值能量应转化为阈值能量密度 Hth 或阈值功率密度 Eth 的单位。
使用目标损伤概率旁边的两个数据点进行线性外推就足够了。如果有大量数据点可用，则允许使用更复杂的外推方法。所用的外推程序应在试验报告中说明。
在图 2 中，对应于损坏点的数据点用×表示，而对应于未损坏点的数据点用 o 表示。损伤概率法所用的评估程序由图中标记的区间 [Q − ∆Q,,Q + ∆Q) 表示。在测试过程中，特定数据对 (Qtp, S) 或 (Qtp, Nmin) 可能会出现多个点。特定数据对的点数可能会在图中显示出来。
图 2 是 S-on-1 激光诱导损伤阈值 (LIDT) 测试中获得的典型数据集的示意图。因此，脉冲能量标度以任意单位给出，并且没有给出数字来表示存在相同的数据点。
X 脉冲数 Y脉冲能量，单位：毫焦耳 1 未损坏 2 已损坏
图 2 — 损伤测试产生的数据点
为了生成特征损伤曲线，对选定的脉冲数 N 重复上述算法，以确定相应的能量值 Q10、Q50 和 Q90。这些值被转换成损伤阈值的单位，并绘制成与脉冲数的关系图。脉冲数的选择应确保至少有五个数据点位于特征损伤曲线的重要区域。建议对此图使用对数-对数坐标，以便能够对大量脉冲的特征损伤曲线进行线性外推（见图 3）。
注 2：对数-对数坐标可能不适用于对大量脉冲的特征损伤曲线进行外推。在许多情况下，特征损伤曲线会收敛到有限的能量密度，这种收敛的形状可能提供有关激光诱导老化机制的信息（见附件 E）。
4.3.4.3 外推法
可根据具有较少数据点数量的测试生成损坏和未损坏区域的分布图。在外推法中，S-on-1 测试程序的执行涵盖了每个测试点的脉冲数范围，该范围适合通过外推确定定义的大量脉冲的 S-on-1 损坏阈值。对选定的一组数据点执行略微修改的测试程序（见 4.3.3）。在该方法中，脉冲数 S 在测试过程中会发生变化，并且应选择脉冲数 S，以便使用选定的脉冲数 S 照射大量站点。在达到定义的脉冲数或检测到损坏后，停止对单个测试点的照射。该辐照协议的结果是一组数据点（Qtp、S、损坏状态），分别由典型脉冲的能量、选定的脉冲数和损坏状态表示。对于表现出自淬损伤机制的样品，外推法也可用于没有在线损伤检测系统的损伤测试设施。在这种情况下，每个位置都会受到选定数量的脉冲，而与损伤状态无关。
X脉冲数 Y能量密度，单位为焦耳/平方厘米 1 90%LIDT 2 50%LIDT 3 10%LIDT
注：测试条件如下：τeff = 130 fs、dT,eff = 87 µm、λ = 780 nm、fp = 1 kHz，样本：780 nm 的 HR 镜（Ta2O5/SiO2）。
图 3 — 特征损伤曲线
对于每个数据点，能量值 Qtp 被转换为能量密度或功率密度的单位，并绘制成表示该值与脉冲数的图表。通过根据损坏状态分离数据点，图表指示出损坏和未损坏的区域。该分布图（见图 4）可以对大量脉冲的阈值能量密度进行近似估计。
注：与使用特征损伤曲线的方法相比，外推法基于的 S-on-1 测试程序数量要少得多，并且可以在一个样本上进行。虽然外推法的可靠性有限，但它可能足以用于已通过完整损伤概率测试认证的生产过程的质量控制，或作为扩展损伤测试准备的一部分。外推法得出的分布图可以解释为特征损伤曲线的粗略估计（见图 4），也可以从特征损伤曲线的数据文件中推导出来。
可以将没有损坏的特定数据点 (Qtp, S)x 视为能量值 Qtp,x 的脉冲数 S 较低时不可能发生损坏。因此，可以在分布图中为所有其他选定的低于脉冲数 Sx 的 S 值绘制表示没有损坏的符号。可以将有损坏的特定数据点 (Qtp, Nmin)x 视为能量值 Qtp,x 的脉冲数 S 较高时不可能发生损坏。因此，可以在分布图中为所有其他选定的高于脉冲数 Nmin,x 的 S 值绘制表示损坏的符号。技术考虑或样品的统计损坏行为可能会限制测量设备可检测到的最低 Nmin 值。如图 4 所示，可以绘制一条分离线来指示样品没有损坏的能量/脉冲状态。
X脉冲数 Y能量密度，单位为焦耳/平方厘米 1 未受损部位 2 受损部位
注：测试条件如下：τeff = 130 fs、dT,eff = 87 µm、λ = 780 nm、fp = 1 kHz，样本：780 nm 的 HR 镜（TiO2/SiO2）。
图 4 — 受损和未受损区域的分布图
5 精度
准备 ISO 21254-1 中概述的校准误差预算，以确定测量设施的整体精度。脉冲重复率、总能量或光束功率、空间分布和时间分布的变化应包括在误差预算中。
6 测试报告
6.1 总则
为了记录和呈现测量数据，测试报告应包括 ISO 21254-1:2011 第 8 条 a) 至 c) 项中规定的信息以及所执行测试类型的结果。
