Embed Size (px)
Citation preview
INFLPR Sectia Laseri
RAPORT DE CERCETARE Nr. 2 / 16.12.2010
Proiect ISOTEST - POSCCE 2.1.2
In cadrul celei de a doua perioade de raportare (16.09.2010 – 16.12.2010) sunt prevazute
urmatoarele activitati de dezvoltare experimentala conform contractului:
1.2. Configurarea structurii modelului functional de instalatie automata, stabilirea caracteristicilor
modulelor si componentelor incorporate. Proiectarea setup-ului experimental pentru cele doua tipuri
de proceduri ISO: diagnoza de fasicul laser si caracterizarea componentelor optice / materialelor in
fascicul laser de mare putere (lunile 1 – 4).
1.3. Dezvoltarea de module si componente laser care vor fi incorporate in sursa laser de mare
stabilitate in pulsuri de nanosecunde (lunile 1 – 7).
1.4. Dezvoltarea de subansamble si sub-sisteme ale setup-ului experimental privind: dirijarea,
atenuarea si focalizarea fasciculului laser; diagnoza parametrilor de fascicul energetici, spatiali,
temporali; detectarea, prin vizualizare cu microscop optic cuplat cu camera CCD, a defectelor induse
de fasciculul laser pe suprafata probelor; sisteme de translatie micrometrica (lunile 2 – 11).
1.5. Proiectarea si realizarea sistemului software-hardware de operare automata (derularea
procedurilor de masurare) si de achizitie si procesare semnale (lunile 3 – 13):
- circuite hardware si program software pentru procesor digital de semnale (DSP).
- program software de operare automata, achizitie si procesare semnale pentru PC.
Stadiul de realizare a acestor activitati este prezentat in continuare.
I. Activitatea 1.2. (durata: lunile 1 – 4) – Realizat
Rezultate obtinute in perioada de raportare:
• A fost verificata functionarea dispozitivului Grenouille model 8-50-USB, Serial No. 8-50-
283-USB, achizitionat de la SWAMP Optics LLC (SUA), destinat masurarii caracteristicilor
2
temporale si spectrale ale pulsurilor laser cu durata de femtosecunde. Dispozitivul Grenouille a
fost instalat pe o masa optica MO 1200 mm x 2400 mm in urmatoarea configuratie (Fig. 1):
Fig. 1. Montajul experimental pentru verificarea functionarii dispozitivului Grenouille pe laserul Clark-MXR 2101
1. Caracteristici de fascicul masurate si optimizate cu dispozitivul Grenouille
a. Profilul temporal de intensitate al pulsurilor de femtosecunde (durata si forma pulsului
laser);
b. Intensitatea spectrala (spectrul) si faza spectrala a pulsurilor de fs.
2. Conditiile de testare:
Pe calea optica au fost introduse (Fig. 1):
i. un atenuator optic format dintr-un polarizor P, lama semiunda L, absorbant fascicul D;
ii. oglinzi de mare reflectivitate (M1-M4) pentru alinierea fasciculului atat pe apertura de
intrare a dispozitivului, cat si pe camera Grenouille;
iii. un expandor variabil, montat in configuratie inversa, pentru a putea regla diametrul
spotului laser la intrarea in Grenouille;
iiii. un atenuator optic suplimentar (20x, densitate optica (DO = 1,3)) pentru obtine o densitate
de putere optima a pulsului laser, sub nivelul de saturatie al camerei CCD.
Atenuator variabil
Clark-MXR 2101
Durata puls ~ 230 fs; Frecv. rep. 2 kHz; putere medie de fascicul ~ 1,4 W
P
L
P M1
M2
MO 1200 mm x 2400
D
Grenouille 8-50-USB
M3
M4
Expandor inversat
A
3
Fig. 2. Imaginea profilului spatial masurat cu camera CCD a dispozitivului Grenouille
3. Etapele testului:
a. Suprapunerea fasciculului laser Clark-MXR 2101 pe un fascicul laser He-Ne (stabilirea axei
optice a montajului experimental);
b. Alinierea componentelor optice cu dispozitivul Grenouille utilizand fasciculul He-Ne;
c. Setarea atenuatorului la nivelul de 1,2 mW putere medie de fascicul a laserului Clark-MXR
2101 (durata pulsurilor ~ 250 fs la jumatate din amplitudine, frecv. de repetitie 2 kHz);
d. Masurarea si centrarea profilului spatial de fascicul in dispozitivul Grenouille cu ajutorul
camerei CCD a dispozitivului (Fig. 2);
e. Masurarea si optimizarea profilului temporal al pulsurilor de femtosecunde cu dispozitivul
Grenouille. A fost reglat compresorul temporal al laserului (reglaj efectuat in timp real,
putandu-se observa variatia duratei pulsului in cursul reglajului), pentru a compensa decalajul
temporal existent intre componentele spectrale ale pulsului laser ultrascurt (toate componentele
spectrului de frecventa sunt aduse in faza, adica "sosesc" simultan). In acest caz, pulsul este la
limita de transformare, sau la limita benzii spectrale (transform-limited, bandwidth-limited), si
are cea mai scurta durata posibila compatibila cu spectrul sau de frecvente. Durata minima de
puls obtinuta dupa reglarea compresorului a fost de 232 fs (FWHM, la jumatate din
amplitudine), in concordanta cu specificatiile laserului Clark (Fig. 3).
4. Rezultate finale:
a. S-a urmarit eliminarea tuturor alertelor de eroare date de dispozitivul Grenouille (mai putin cea
de Low Noise care apare sporadic in functionare normala);
4
b. In final, am obtinut o trasa FROG masurata (“measured”)de forma simetrica, asemanatoare cu
trasa reconsituita (“retrieved”) de algoritmul FROG plecand de la profilul temporal reconstituit
din trasa masurata. Concordanta formei celor doua trase reprezinta criteriul major care certifica
functionarea corecta a dispozitivului Grenouille (Fig. 3).
c. Rezultate finale:
1. Durata pulsului (FWHM) = 232 fs;
2. Largimea spectrala a pulsului (FWHM) = 5.4 nm;
3. Produsul durata impuls – banda de frecvente (FWHM) = 0.63
4. Eroarea algoritmului FROG ~ 1 %.
d. Rezultatele experimentale prezentate mai sus demonstreaza atat functionarea corecta a
dispozitivului Grenouille, conform specificatiilor tehnice, cat si performantele laserului
Clark 2101 atunci cand este bine reglat.
Fig. 3. Interfata grafica Grenouille cu rezultatele masurarii pulsurilor de femtosecunde emise de laserul Clark 2101. Stanga: Trasa masurata (sus); Trasa reconstituita (jos); Dreapta: profilul temporal de intensitate (albastru), faza temporala (verde); Intensitatea spectrala (rosu); Faza spectrala (galben); Jos: detaliu cu rezultatele masurarii.
5
• A fost verificata functionarea microscopului AxioLab A1, Serial No. 3140000158,
producator ZEISS (Germania), care va fi utilizat pentru inspectia suprafetei (de obicei plane) a
probelor testate in camp laser intens si pentru achizitia de imagini ale siturilor iradiate cu pulsuri
laser de mare putere.
1. Configuratii optice de analiza:
i) Microscopie in camp luminos (Bright field) – este configuratia conventionala de analiza a
suprafetei unui material transparent sau opac. In aceasta configuratie obiectul este iluminat prin
transmisie sau prin reflexie, aproape de normala la suprafata si imaginea se colecteaza coliniar cu
fasciculul folosit la iluminare, aproape de normala la suprafata. Aceasta face ca fondul imaginii sa
fie puternic luminat (de unde si numele de camp luminos), iar defectele de pe suprafata, fiind si ele
puternic iluminate, au un contrast relativ slab fata de fond.
ii) Microscopie in camp intunecat (Dark field) – este o configuratie ce confera un contrast mult
mai bun intre imaginea unui defect si imaginea fondului probei. In aceast configuratie iluminarea
suprafetei se face oblic fata de normala la suprafata, iar imaginea se colecteaza aproape de
normala la suprafata. In lipsa oricarui defect de pe suprafat plana, imaginea suprafetei ramane
intunecata, deoarece directia de colectare a imaginii este aproape de normala, iar fasciculul de
iluminat e reflectat de suprafata la un unghi relativ mare fata de normala. Deci fondul imaginii este
intunecat (de unde si denumirea de camp intunecat). Orice defect de pe suprafata, insa, imprastie
lumina in toate directiile si o parte din aceasta lumina imprastiata este colectata in imaginea ce se
obtine la un unghi aproape de normala. Deci un defect apare puternic luminat, pe un fond
intunecat, permitand evidentierea microreliefului suprafetei (fisuri, incluziuni, pori, particule
atasate pe suprafata, etc).
iii) Microscopie de tip Nomarski sau Differential Interference Contrast (DIC) – este o metoda
interferometrica de mare sensibilitate care evidentiaza variatiile spatiale ale densitatii optice a
probei (gradientul coeficientului de absorbtie a luminii in proba). Metoda Nomarski utilizeaza o
sursa de lumina a carui fascicul este despartit in doua fascicule ortogonal polarizate care au un
parcurs optic usor diferit (sunt translatate cu valori de ordinul fractiunii de micrometru) prin proba
si apoi sunt recombinate atat ca directie de polarizare cat si spatial, ca sa poata interfera. Datorita
faptului ca cele doua fascicule intalnesc valori usor diferite ale indicelui de refractie, valori
corespunzatoare modificarilor induse de defectul din proba, ca rezultat al interferentei celor doua
fascicule se genereaza un relief tridimensional proportional cu gradientul densitatii optice
(indicelui de refractie local) care pune in evidenta mai bine defectul decat in cazul configuratiei de
camp luminos.
6
Standardul ISO 11254, care reglementeaza masurarea pragului de distrugere a suprafetelor optice
iradiate cu fascicul laser, recomanda ca suprafata probelor sa fie inspectata atat inainte cat si dupa
efectuarea testului cu un microscop in configuratie Nomarski cu marire totala de minimum 100x –
150x.
Fig. 4. Imaginea unui sit distrus pe suprafata unei oglinzi laser (acoperire dielectrica de mare reflectivitate depusa pe substrat de sticla optica (obiectiv EC Epiplan marire 20x, marire totala (obiectiv + ocular 200x)): a) camp luminos; b) camp intunecat; c) Nomarski. 2. Programul Software AxioVision: Micoscopul AxioLab este echipat cu o camera CCD care
impreuna cu pachetul software AxioVision permite vizualizarea probelor direct pe un monitor de
calculator. Software-ul inclus permite masurari interactive de arii, diametre, unghiuri, etc.
Fig. 5. Masurarea perioadei unei retele de linii procesate laser pe film de aur (interspatiu + grosimea
liniei ≈ 30 μm – 32 μm), utilizand programul software AxioVision.
3. Rezultatul testului
- Au fost verificate functiile specifice ale microscopului AxioLab A1.
- Microscopul functioneaza normal, conform specificatiilor tehnice.
a) c) b)
7
II. Activitatea 1.3. (durata: lunile 1 – 7) – Realizat partial
Sursa laser de mare stabilitate care este dezvoltata in cadrul prezentului proiect genereaza
pulsuri laser de mare energie (la lungimile de unda de 1064 nm, 532 nm sau 355 nm) cu caracteristici
reproductibile, conform cerintelor standardelor ISO 11254-1:2000 si ISO 11254-2:2001 care
reglementeaza procedurile de masurare / certificare a pragului de distrugere al componentelor optice /
materialelor iradiate cu fascicule laser de mare putere.
Sursa laser de mare stabilitate este alcatuita din urmatoarele module si componente: Laser
Nd:YAG in regim Q-switch model Brilliant B-IR-10 cu sursa de alimentare; modul OP/BB/SLM
pentru emisie laser pe un singur mod longitudinal (SLM) cu unitate driver; modul OP/BB/2WSLM
pentru generarea armonicii a doua (λ = 532 nm), stabilizat termic, cu separarea lungimilor de unda
inclusa; modul OP/BB/2WSLM pentru generarea armonicii a treia (λ = 355 nm), stabilizat termic, cu
separarea lungimilor de unda inclusa (componente si module produse de Quantel, Franta); stabilizator
tensiune retea model VISION 2 cu dubla conversie si circuite de protectie la paraziti electrici de inalta
tensiune.
Modulul SLM reduce semnificativ largimea spectrala a fasciculului laser prin injectia unui
semnal monomod, asigurand astfel un profil temporal al pulsului laser fara modulatii de intensitate,
neted si foarte reproductibil, in concordanta cu cerintele standardului ISO 11254 privind masurarea
duratei efective a pulsului laser. Modulul SLM include 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 monomod longitudinal este
injectat in rezonatorul laserului Brilliant printr-un perete lateral al capului laser.
Stabilizatorul de tensiune alimenteaza sursa electrica Brilliant si unitatea driver SLM cu o
tensiune alternativa stabilizata si filtrata, separata galvanic de reteaua electrica de putere, asigurand
astfel parametri de fascicul de inalta stabilitate si o functionare fiabila a sistemului laser.
Rezultate obtinute in perioada de raportare:
• A fost montat si conectat la retea stabilizatorul de tensiune model VISION 2 care alimenteaza
sursa electrica a laserului Brilliant si unitatea driver SLM.
• A fost montata masa optica pe care va fi instalata sursa laser de mare stabilitate in pulsuri de
nanosecunde.
Conform contractului incheiat cu furnizorul, laserul Nd:YAG in regim Q-switch model
Brilliant B-IR-10 urmeaza sa fie livrat in a doua jumatate a lunii decembrie a. c.
8
III. Activitatea 1.4. (durata: lunile 2 – 11) – Realizat partial
Rezultate obtinute in perioada de raportare:
• Au fost achizitionate o serie de componente optice si opto-mecanice pentru dirijarea, atenuarea
si focalizarea fasciculelor laser de mare putere: oglinzi laser de mare reflectivitate, polarizori,
lame semiunda si sfert de unda, filtre optice, absorbanti fascicul, monturi optice, placi montaj,
baze cinematice, masute de translatie micrometrica X si XYZ.
• Au fost achizitionate monitoare pentru diagnoza parametrilor energetici de fascicul pentru
laseri cu emisie in pulsuri si in unda continua.
• Au fost achizitionati ochelari de protectie laser si materiale pentru curatirea si manipularea
componentelor optice, cutii cu sertarase pentru stocarea seturilor de componente optice inter-
schimbabile.
IV. Activitatea 1.5. (durata: lunile 3 – 13) – Realizat partial
Rezultate obtinute in perioada de raportare:
• A fost elaborat un algoritm de operare iterativ pentru procedura automata S-on-1 de
masurare / certificare prag de distrugere in camp laser (PDCL) al componentelor optice /
materialelor in conformitate cu standardele ISO 11254-1:2000 si ISO 11254-2:2001.
Ideea fundamentala a algoritmului de operare iterativ consta in optimizarea procesului de
interogare a probei testate, astfel incat minimizarea incertitudinii in determinarea PDCL sa fie
obtinuta cu un numar minim de situri interogate.
Pasii algoritmului iterativ S-on-1 sunt prezentati in detaliu in continuare.
Algoritmul Iterativ S-on-1
1. Calculeaza numarul total de situri pe proba, ntotal, si determina harta siturilor in arhitectura
hexagonala sau rectangulara, numeroteaza siturile reprezentate pe harta:
, (1)
unde Aoptic – aria disponibila pe proba; dT,eff – diametrul spotului laser pe surafata probei;
dsep – separarea intre siturile adiacente exprimata in numar de diametre de spot.
Valorile Aoptic, dsep, dT,eff sunt setate de operator.
2,
2, )(
,)(3
2
effTsep
optictotal
effTsep
optictotal dd
An
ddA
n ==
9
2. Defineste o serie de q intervale de energie [Qi – ΔQ, Qi + ΔQ] care acopera gama de energie laser
per puls disponibila pentru test, unde i este o variabila care numeroteaza aceste intervale, i = 1; 2;...q.
Semilargimea intervalelor, ΔQ , se mentine constanta pe durata testului si determina eroarea statistica
a valorii pragului de distrugere. Daca Qmin este nivelul minim de energie accesibil experimental,
atunci Qi, energia medie a intervalelor succesive de largime 2ΔQ , este data de relatia
Qi = Qmin + (i – 0,5)·2ΔQ (2)
Valorile Qmin, ΔQ, q sunt setate de operator.
3. Test de iradiere preliminar realizat de operator: se testeaza 35 - 40 situri cu diferite energii Q astfel
incat sa existe situri testate fara distrugere dupa aplicarea unui numar prestabilit (NP) de pulsuri per
sit, si situri distruse dupa un numar minim prestabilit de pulsuri (NL), aplicate pe sit. Se inregistreaza
per sit valorile medii masurate: , unde
sunt respectiv valori medii ale energiei per puls, ariei spotului laser si duratei pulsului
masurate pe situl testat, Nmin numarul de pulsuri dupa care s-a distrus situl.
Valorile NP, NL sunt setate de operator.
4. Probabiliatea de distrugere optica, atunci cand se aplica pe sit N pulsuri de energie Qi, se
calculeaza cu relatia:
, (3)
unde nD + nND reprezinta punctele experimentale incluse in intervalul [Qi ± ΔQ] definit la punctul 1.
Calculeaza setul de puncte discrete de probabilitate {PN(Qi)}, i ∈[1....q], pentru doua valori ale lui
N, de regula pentru valorile extreme, N = NL si N = NP.
5. Extrapoleaza datele {PNL(Qi)} si {PNP(Qi)} cu o functie rampa, care are o propagare liniara in zona
de tranzitie si valorile 0, respectiv 1, in afara acestei zone.
Calculeaza erorile de fitare δNL si δNP (v. Anexa 1).
6. Calculeaza o variabila auxiliara n:
(4)
][][],,[ ,min effeffTP tsiANsauNQ
effeffT tAQ ,, ,
)()()(
min
min
NNsauNNnnNNnQP
PNDD
DiN ≥>+
≤=
≤
>=
PL
PL
NNP
NNL
dacaN
dacaNn
δδ
δδ
,
,
10
7. Pe dreapta Pn(Q) determina valorile Q0, QH corespunzatoare Pn(Q0) = 0 %, respectiv Pn(QH) = 95
%. Calculeaza
,0
mQQdQ H −
= (5)
unde m este un numar intreg setat de operator (uzual m = 4 – 8).
8. Defineste o serie de m + 1 intervale de energie de largime dQ, in domeniul [Q0 – dQ, QH]:
[Q0 + (j – 1)dQ, Q0 + j∙dQ], (6)
unde j este o variabila care numeroteaza intervalele {(Q0, dQ, j)}, j = 0; 1;2;.....m.
9. Selecteaza aleatoriu un interval (Q0, dQ, j) care include minimum de situri interogate. Energia de
test pentru situl urmator, QNS , este data de pozitia acestui interval (valoarea mediana a intervalului):
(7)
10. Interogheaza un sit nou cu NP (sau Nmin) pulsuri de energie QNS. Inregistreaza valorile medii ale
parametrilor laser: energie per puls NSQ , arie, durata.
11. Calculeaza Pn(Qi) pentru intervalul [Qi ± ΔQ] care include ultimul sit interogat cu NSQ .
12. Fiteaza {Pn(Qi)}, calculeaza eroarea de fitare δn.
13. Reia algoritmul de la punctul 6.
14. Intrerupe procedura de test atunci cand δNL, δNP ≤ δmin sau daca nu mai sunt situri disponibile pe
proba de test. Valoarea δmin este setata de operator.
15. Fiteaza PN(Q) pentru restul de valori N setate de operator, calculeaza erorile corespunzatoare δN.
Valorile lui N, cuprinse in intervalul [NL ÷ NP], sunt astfel alese incat sa fie aproximativ echidistante
pe o scara logatimica, de ex., N = 1 (NL); 2; 5; 10; 20; 50; 100; 200; 500 (NP).
NOTA: Daca una sau mai multe valori δN depasesc semnificativ δmin, operatorul poate seta reluarea
algoritmului de la punctul 6 pentru alte doua valori ale lui N, de regula valorile extreme ramase (de
exemplu, N = 2 si N = 200).
dQjQQNS )5,0(0 −+=
11
16. Pentru fiecare caracteristica PN(Q), determina pe dreapta fitata valorile Q50(N) si Q0(N),
corespunzatoare probabilitatii de distrugere de 50 %, respectiv 0 %.
17. Transforma setul de date {Q50(N), Q0(N)} din energie per puls in densitate maxima de energie
per puls conform ecuatiei:
, (8)
unde effTA , este aria spotului laser mediata pe siturile interogate.
18. Reprezinta grafic curba caracteristica de distrugere {H50, H0} functie de log N.
19. Extrapoleaza caracteristica H0(N), H50(N) pentru un numar foarte mare de pulsuri (conform Annex
C, ISO 11254-2:2001(E)).
20. Calculeaza bugetul erorilor (v. Anexa 2).
21. Redacteaza raportul de test (v. Anexa 3).
Anexa 4. Caracteristici / cerinte ale Interfetei Grafice.
ANEXA 1
Fitarea parametrica a caracteristicii PN(Q). Calculul incertitudinii δN. Setul de date {PN(Qi)} este 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. In general, probabilitatea de distrugere PN(Q) este o functie liniara de Q,
aceasta dependenta fiind distorsionata de o perturbatie aleatoare (sau "zgomot alb") provocata de
erorile de masurare si de neomogenitatile structurale ale materialului testat.
Zona de tranzitie cuprinsa intre PN(Qi) = 0 si PN(Qi) = 1 este fitata cu o dreapta
QbaQP NNN +=)(ˆ , (A1-1)
unde aN si bN sunt parametrii caracteristici care sunt fitati cu datele experimentale, pentru un anumit
numar N.
effTANQNH,
)()( =
12
Eroarea reziduala asociata fiecarui punct experimental PN(Qi) este definita astfel:
.)()(ˆ)( iNNiNiNiNi QbaQPQPQPu −−=−= (A1-2)
Parametrii aN si bN se determina din conditia ca suma patratelor erorilor reziduale sa fie
minima:
.0;0;])([ 2
11
2 =∂∂
=∂∂
−−== ∑∑== NN
iNNi
l
iN
l
ii b
SaSQbaQPuS (A1-3)
Din ecuatiile (3) rezulta:
∑
∑
=
=
⋅−
⋅⋅−⋅=
⋅−=
l
ii
l
iNiNi
N
NNN
QlQ
PQlQPQb
QbPa
1
22
1)(
,
, (A1-4)
unde l
l
QPP i
i
l
iiN
N
∑∑== == 11 ,
)(.
Calitatea fitarii parametrice este data de abaterea standard a parametrilor S, aN si bN:
∑
∑
=
=
−=
−+=
−=
l
ii
Sb
l
ii
Sa
S
Ql
lS
1
2
1
2
2
)(
1
)(
1
2
σσ
σσ
σ
(A1-5)
In final, eroarea totala de fitare este evaluata prin incertitudinea δN a fitarii parametrice:
2N
b
N
a
Nbaσσ
δ+
= . (A1-6)
13
Algoritmul iterativ S-on-1 recalculeaza parametrii aN, bN dupa interogarea fiecarui sit si
stabileste energia de test QNS pentru situl urmator. Criteriul fundamental utilizat pentru determinarea
valorii acestei energii este minimizarea incertitudinilor δNL, δNP corespunzatoare caracteristicilor de
probabilitate de distrugere PNL(Q), respectiv PNP(Q).
ANEXA 2 Statistica masurarii si Bugetul erorilor
s: numarul total de situri interogate. 1
J Energia medie per puls masurata pe un sit k interogat cu NP (sau Nmin) pulsuri laser, k⊂ [1....s].
2
J Abaterea standard aferenta
3
Abaterea standard relativa
4
Abaterea standard relativa a energiei per puls
5
s
s
kk∑
== 1
J
Energia per puls mediata pe siturile interogate
6
cm2
Aria efectiva medie a spotului laser masurata pe situl numarul k
7
cm2
Aria efectiva mediata pe toate siturile irradiate
8
cm2
Abaterea standard experimentala a ariei efective
9
Abaterea standard relativa a ariei efective
10
s
Durata efectiva medie a pulsului laser masurata pe situl numarul k
11
s
Durata efectiva mediata pe toate siturile iradiate.
kQ
kQσ
kQε
s
s
kkQ
Q
∑== 1ε
ε
kQ
k
kQkQ Q
σε =
keffTA −,
s
AA
s
kkeffT
effT
∑=
−
= 1,
,
( )2,,11
1effTkeffT
s
kA AA
s−
−= −
=∑σ
effT
AA A ,
σε =
kefft −
s
tt
s
kkeff
eff
∑=
−
= 1
14
12
s
Abaterea standard experimentala a duratei efective.
13
Abaterea standard relativa a duratei efective
Bugetul erorilor
1. Erori aleatoare masurate de senzorii setup-ului experimental
• Abaterea standard relativa a energiei per puls: ±
• Abaterea standard relativa a ariei efective a spotului laser: ±
• Abaterea standard relativa a duratei efective de puls: ±
2. Incertitudinea standard in determinarea marimilor Q0(N), Q50(N), cauzata de largimea finita a
intervalelor Qi ± ΔQ, se calculeaza cu relatiile
,3QQ
Qu∆
=−ε (A2-1)
unde Q este energia per puls mediata pe toate siturile interogate.
• Abaterea standard experimentala a energiei per puls, εQ-exp, este determinata de maximul
cantitatilor εQ si εu-Q:
εQ-exp = max(εQ , εu-Q) (A2-2)
3. Erori sistematice si de calibrare (setate de operator).
• Incertitudinea standard de calibrare a detectorului de energie: ±
• Incertitudinea standard de calibrare a monitorului de energie: ±
• Incertitudinea standard de calibrare in energie a separatorului holografic: ±
• Incertitudinea standard relativa data de largirea profilului temporal de puls: ±
• Incertitudinea standard relativa data de integrarea numerica a profilului temporal: ±
Qε
Aε
Du−ε
Mu−ε
Fu−ε
Sau−ε
Siu−ε
tε
( )211
1effkeff
s
kt tt
s−
−= −
=∑σ
eff
tt t
σε =
15
4. Erori totale.
• Eroarea (rms) in masurarea energiei laser:
(A2-3)
• Eroarea (rms) in masurarea densitatii de energie:
(A2-4)
• Eroarea (rms) in masurarea densitatii de putere : .
(A2-5)
ANEXA 3 Raport de Test
1. Numele laboratorului si al persoanei care a efectuat testul.
2. Caracteristici / cod proba, producator, data fabricatiei.
3. Metoda de curatire, conditii de stocare: curatire manuala cu hartie pentru lentile si alcool
isopropilic; stocare in ambalajul producatorului in conditii normale de laborator.
4. Ambientul de test: aer curat filtrat, temperatura 24 oC ± 2 oC.
5. Parametrii laserului de test:
– Lungimea de unda:
– Unghiul de incidenta:
– Starea de polarizare:
– Frecv. de repetitie a pulsurilor laser:
– Profilul spatial de fascicul in planul probei
– Aria efectiva a spotului laser pe suprafata probei: + (profil 3D);
– Durata pulsului (FWHM) + diagrama profil temporal;
– Durata efectiva a pulsului: .
6. Procedura de test
a. Numar de situri per proba: 200
2222exp FuMuDuQtotalQ −−−−− +++±= εεεεε
22AtotalQH εεε +±= −
2222SiuSautHE −− +++±= εεεεε
16
b. Dispunerea siturilor de test: egal distantate;
c. Numarul de pulsuri aplicate per sit: NP
d. Separarea siturilor adiacente: dsep.
7. Bugetul erorilor
8. Rezultatul testului
a. Caracteristicia H0(N), H50(N) extrapolata pentru un numar mare de pulsuri per sit.
b. Morfologia unui sit distrus obtinuta cu un microscop Nomarski.
ANEXA 4 Interfata Grafica
1. Afisaj
1.1. Harta siturilor numerotate si starea siturilor (nedistrus, distrus sau neexpus).
1.2. Ultimul sit interogat: energie medie per puls , starea sitului, Nmin sau NP.
1.3. Graficul caracteristicii Pn(Q) in proces de optimizare, valori curente δn, valori finale δn.
1.4. Statistica masurarilor: εQ, εA, εt.
1.5. Grafic final PN(Q) selectat de operator, valoare finala δN .
1.6. Caracteristica de distrugere H50, H0 functie de log N (selectata de operator).
2. Comenzi si setari
2.1. Start / stop (pauza) program de test.
2.2. Initializare / program automat.
2.3. Reluarea procedurii de la punctul 6 pentru alte valori ale variabilei n.
2.4. Marimi setate de operator:
Nr Simbol unitati Descriere
1 Aoptic mm2 Aria disponibila pe proba de test
2 dT,eff mm Diametrul spotului laser pe suprafata probei
3 dsep Separarea intre siturile adiacente exprimata in numar de diametre de spot
4 Q J Energie per puls setata de operator (initializare)
5 Qmin J Energia minima disponibila experimental
6 q Numarul de intervale de de energie disponibile pentru test
7 ΔQ J Semilargimea intervalelor disponibile pentru test
kQ
17
8 NP Numarul de pulsuri laser aplicate per sit interogat
9 NL Numarul minim de pulsuri pentru care se calculeaza probabilitatea de distrugere PN(Q)
10 {N} Set de numere pentru care se calculeaza PN(Q), N ⊂ [NL – NP], de regula 9 sau 10 valori echidistante pe scala logaritmica
11 n Variabila auxiliara cu doua valori, uzual NL si NP
12 m Numarul de intervale din zona de tranzitie a caracteristicii PN(Q)
13 δmin Valoarea limita a erorii δn
14 εu-D Incertitudinea standard de calibrare a detectorului de energie
15 εu-M Incertitudinea standard de calibrare a monitorului de energie
16 εu-F Incertitudinea standard de calibrare in energie a separatorului holografic
17 εu-Sa Incertitudinea standard relativa data de largirea profilului temporal de puls
18 εu-Si Incertitudinea standard relativa data de integrarea numerica a profilului temporal
• A fost proiectat sistemul software-hardware de operare automata pentru procedura
S-on-1.
Procedura automata S-on-1 de masurare a PDCL este controlata de doua subsisteme software,
respectiv software-ul dezvoltat pentru calculator (PC) si software-ul dezvoltat pentru procesorul
digital de semnale (DSP), Fig. 6. Din punct de vedere al timpilor de predictie si executie a proceselor,
sistemul DSP se ocupa de procesele rapide, in timp ce sistemul PC se ocupa de procesele lente ale
sistemului. Cele doua sisteme comunica intre ele printr-o conexiune USB, iar tipul de comunicatie
este Master (PC) / Slave (DSP). In esenta, sistemul PC guverneaza procesul de testare in ansamblul
lui, urmand ca atunci cand se produce interogarea siturilor cu pulsuri laser si detectia rapida a unui sit
distrus, controlul sa fie preluat temporar de sistemul DSP. Cand secventa de interogare s-a terminat
(un urma careia poate rezulta sau nu un sit distrus), sistemul DSP semnalizeaza PC-ului sfarsitul
secventei si comunica acestuia rezultatele.
Sistemul PC are urmatoarele roluri:
1. Comunica si achizitioneaza datele de la periferice;
2. Preia datele introduse de operator si afiseaza pe ecran rezultatele preliminare si finale ale testului;
3. Executa calculele matematice necesare pentru determinarea caracteristicii de distrugere a probei;
4. Intocmeste fisa ce contine rezultatele testului;
5. Completeaza rezultatele testului in baza de date existenta, DB.
18
Perifericele cu care comunica sistemul PC sunt urmatoarele: Sistemul DSP;Camera CCD pentru
profilul spatial al laserului; Monitorul de energie al fasciculului laser.
Sistemul DSP are urmatoarele roluri:
1. Preia comenzile si instructiunile de la PC;
2. Executa secventele de explorare / detectie sit distrus (prin intermediul detectorului de sit distrus
(DDS);
3. Achizitioneaza datele de la convertorul analog-digital (ADC) si calculeaza profilul temporal al
pulsului laser;
4. Comanda pornirea si oprirea laserului si obturatorului de fascicul OF;
5. Comanda motoarele pas cu pas ale masutei translatie a tintei in planul XY;
6. Comanda motorul pas cu pas al masutei de rotatie al atenuatorului de fascicul laser;
7. Comunica rezultatele si datele colectate PC-ului.
Fig. 6. Sistemul software-hardware al procedurii S-on-1.
DS, detector profil spatial spot laser; DT, detector profil temporal puls laser; ADC, convertor analog digital; DDS, detector distrugere sit; DB, baza de date; α, atenuator fascicul laser; LVDS, sistem diferntial rapid de procesare semnale de joasa tensiune; Ethernet, protocol de comunicare in retele locale PC.
Sistemul DSP (Fig. 7), impreuna cu sistemul PC asigura controlul instalatiei care determina
pragul de distrugere a probelor testate, functie de energia laserului cu care este interogata tinta. In
19
raport cu sistemul PC, DSP este “slave”. Rolul principal al DSP, este executia de secvente de
explorare a tintei testate cu fascicul laser, detectia rapida a unui eventual sit distrus si blocarea rapida
a laserului generator al fasciculului de explorare. Comanda laserului este in timp real, in sensul ca
blocarea lui intervine pana la generarea urmatorului puls laser, dupa ce situl iradiat in acel moment
s-a distrus. Rezulta ca sistemul de control al secventelor de iradiere laser este unul rapid, de aceea s-a
optat pentru realizarea lui cu un sistem DSP, implementat intr-un circuit FPGA. Comunicarea cu PC
se realizeaza dupa urmatorul protocol generic: DSP se afla in starea “idle”, asteptand instructiuni de la
PC. Sistemul PC comunica DSP datele initiale pentru secventa ce urmeaza a fi executata (energia
pulsului laser, numarul de pulsuri, numarul sitului ce urmeaza a fi interogat), DSP confirma datele
Fig. 7. Structura sistemului DSP
primite si executa secventa de interogare. Dupa ce secventa s-a incheiat (secventa in urma careia poate
rezulta sit distrus sau nu), comunica rezultatele obtinute sistemului PC. Sistemul PC confirma DSP
receptia datelor, dupa care DSP reintra in starea de asteptare “idle”.
Al doilea rol asigurat de sistemul DSP este masurarea profilului temporal al pulsului laser.
Aceasta se realizeaza cu ajutorul unui sistem fotodioda - amplificator ultrarapid cu o banda de 2 GHz
si a unui convertor analog-digital ADC cu o viteza de esantionare de 2.2 Gs/s si o rezolutie de 8 biti.
Convertorul analog digital este prevazut la iesirea digitala cu un demultiplexor cu patru care largeste
20
magistrala de date de la 8 biti la 32 biti. Aceasta face ca viteza de transfer a datelor sa scada de 4 ori,
respectiv de la 2.2 GB/s la 550 MB/s. Chiar si asa, viteza de transfer este foarte mare, de aceea portul
de iesire al circuitului ADC este de tip LVDS (Low Voltage Differential Signaling), a carui viteza
maxima de transfer este 650 MB/s. De observat ca viteza de transfer a datelor se afla aproape de limita
maxima de transfer a magistralei LVDS. Datele sunt preluate de sistemul DSP propriu zis si sunt
multiplexate, refacandu-se astfel sirul de date generat initial de ADC. Datele sunt stocate in memoria
temporara FIFO (First In First Out), apoi preluate de nucleul de prelucrare digitala (DSP Core).
Rezultatele sunt comunicate sistemului PC prin intermediul unui port USB, impreuna cu celelalte date
rezultate in urma unei secvente de interogare a tintei.
Al treilea rol al circuitului DSP este acela de a comanda cele doua motoare pas cu pas ale
masutei de translatie XY a tintei explorate si a motorului pas cu pas ce actioneaza masuta de rotatie a
atenuatorului fasciculului laser. Sistemul este capabil sa traduca numere exprimate direct in
micrometri, respectiv fractiuni de miliradian, in secvente de impulsuri de deplasare inainte si inapoi a
motoarelor pas cu pas. Deasemenea, sistemul monitorizeaza comutatoare limita de cursa pentru cele
trei motoare, precum si encodere de deplasare care supravegheaza miscarile de translatie in cazul
masutei XY, respectiv de rotatie in cazul atenuatorului de fascicul.
Legatura fizica (hardware) dintre sistemul DSP si controlerele motoarelor pas cu pas se
realizeaza prin intermediul blocului DSP I/O. Sistemul DSP este prevazut cu o interfata cu utilizatorul
CONTROL PANEL, care asigura urmarirea proceselor executate de DSP.
Comanda sistemelor de translatie / rotatie motorizate
Sistemele de translatie / rotatie motorizate (reprezentate schematic in Fig. 8) sunt implicate
in materializarea celor doua tipuri de proceduri ISO: diagnoza de fasicul laser si caracterizarea
componentelor optice / materialelor in fascicul laser de mare putere. Sub acest aspect, procedura de
caracterizare necesita un sistem de translatie X-Y pentru determinarea hartii siturilor in arhitectura
hexagonala sau rectangulara si pentru localizarea siturilor reprezentate pe harta. Referindu-ne la Fig.
8, translatia X-Y este realizata cu ansamblul 960-0060-06 XY, care cuprinde doua mese identice de
translatie (X-stage si Y-stage) caracterizate de cursa de 50 mm, rezolutie 2,5 μm, repetabilitate
bidirectionala de 0,8 μm si unidirectionala de 0,6 μm. Fiecare masa vine echipata cu cate doua
limitatoare de cursa, stanga (LS-X) si dreapta (RS-X). Pentru determinarea pozitiei de referinta
(originii) a fiecarei mese, suplimentar se plaseaza cate un detector de pozitie de precizie tip D5A-9511
(SW1 & SW2), cu o eroare de 3 μm la pozitionarea repetata. Semnalele generate de limitatoarele de
cursa si detectorul de pozitie sunt transmise prin porturi I/O catre unitatea DSP.
21
Fiecare masa este comandata de un circuit dedicat (SMC11-X, respectiv –Y), care are ca
sarcina cele 4 infasurari ale motorului pas cu pas bipolar. Controlul circuitului se face prin comenzi
generate de unitatea DSP prin porturile I/O alocate. Semnalele de control sunt clock, care determina
prin numarul pulsurilor marimea excursiei si prin frecventa lor viteza de deplasare, direction pentru
comanda sensului de deplasare si enable pentru activarea / dezactivarea alimentarii in curent a
motorului. Procedura de caracterizare implica controlul energiei pulsurilor laser aplicate pe situl
interogat, control care se realizeaza transmitand fasciculul laser printr-un atenuator variabil constituit
dintr-o lama rotitoare λ/2 si un polarizor. Rotirea lamei se face prin intermediul unei mese motorizate
model 964-0159-23 (α-stage in Fig. 8), cu o rezolutie de 4,5 secunde de arc (pentru 1/8 pasi).
Masa este echipata cu un detector opto-mecanic de pozitie (S-α) care genereaza un semnal
electric pentru fiecare rotatie completa. Pentru definirea precisa a originii se ataseaza suplimentar un
detector de pozitie model D5A-9511 (SW3). Cele doua detectoare de pozitie transmit semnalele
electrice generate catre DSP-I/O prin porturile alocate. Actionarea motorului este comandata de
circuitul SMC11-α prin semnalele generate de DSP-I/O.
22
Pentru diagnoza de fascicul se utilizeaza masa de translatie model 960-0115-1040 (Z-stage),
cu o cursa de 1 040 mm si o rezolutie de 6,25 μm. Masa este echipata cu doua limitatoare de pozitie
(LS-Z & RS-Z) si un detector de precizie al originii tip D5A-9511 (SW4), care transmit semnalele
electrice generate catre DSP-I/O. Comanda motorului pentru actionarea mesei se face de catre
circuitul SMC11-Z, controlat de DSP I/O.
Concluzii
Apreciem ca au fost indeplinite activitatile prevazute pentru pentru a doua perioada de
raportare: 16.09.2010 – 16.12.2010 (activitati de dezvoltare experimentala). Pana in prezent nu sunt
de semnalat factori care ar putea intarzia derularea planificata a activitatilor proiectului.
