Soutenance de thèse de AOUN Amer
Titre de thèse
Amélioration de la durée de vie des composants optiques pour lasers de puissance dans l'espace
Improving the lifetime of optics for high power lasers in space
Résumé de la thèse
Les lasers, en tant que technologie clé, ont intégré le domaine des applications spatiales depuis un certain temps. De nombreuses missions spatiales récentes, et futures reposent sur des instruments optiques embarqués intégrant des lasers nanosecondes de haute puissance afin d'atteindre des performances autrement inaccessibles. Toutefois, la durée de vie de ces instruments demeure un paramètre limitant en raison d'un effet connu sous le nom de “contamination induite par laser”(LIC).
Ce phénomène est particulièrement fréquent avec les lasers ultraviolets opérant sous vide, comme dans les applications spatiales, ou d'optique quantique, où les interactions entre le laser, les optiques et les molécules organiques volatiles conduisent à la formation de dépôts organiques, nanométriques et absorbants sur les optiques irradiées.
Dans l'espace, le nettoyage des optiques est très complexe. Ainsi, ces dépôts deviennent permanents et, à mesure qu'ils s'accumulent, ils dégradent les performances de l'instrument, réduisant sa durée de vie et, mettant en péril la mission. Par conséquent, comprendre et réduire la LIC est crucial pour assurer le succès des futures missions exploitant des technologies à base de lasers de puissance.
Un dispositif expérimental capable de générer des dépôts de LIC dans des conditions simulant l'environnement spatial a été développé à l'Institut Fresnel. Une combinaison de techniques de caractérisation in situ et ex situ a été utilisée pour étudier différents aspects de la formation et de l'évolution des dépôts LIC. Les diagnostics in situ comprennent des mesures de transmission, de la fluorescence induite par laser et de la spectrométrie de masse en phase gazeuse, tandis que les analyses ex situ utilisent la microscopie d'interférométrie à lumière blanche, la microscopie à force atomique, la spectroscopie de photoélectrons-X, les spectroscopie infrarouge photothermique et Raman, ainsi que la spectrométrie de masse à ions secondaires à temps de vol.
Une étude paramétrique a été menée afin d'examiner, confirmer, infirmer et étendre la littérature existante. Deux contaminants ont été utilisés : un contaminant représentatif de l'environnement spatial issu du dégazage de l'adhésif époxy Scotch-Weld™ EC-2216 B/A Gray, et un contaminant pur, le diméthyle phthalate.
Les analyses morphologiques ont révélé que la morphologie des dépôts correspondait au profil du faisceau laser et présentait l'évolution attendue de type bosse-vers-cratère, bien que des différences ont été observées selon le contaminant utilisé. Contrairement aux hypothèses dans la littérature, l'épaisseur maximale du dépôt continuait d'augmenter même après la formation du cratère. L'impact de la pression partielle du contaminant, du profil temporel des impulsions laser, de la fluence crête et de la durée d'irradiation sur la croissance des dépôts a été évalué, conduisant à la proposition d'un modèle décrivant la dynamique de leur croissance. Des images AFM ont révélé une structuration à l'échelle nanométrique au sein du dépôt, ce qui a conduit à des hypothèses préliminaires sur la phase de nucléation.
Les analyses chimiques ont montré que la composition chimique des dépôts LIC diffère de celle des contaminants simplement condensés, qu'elle est distribuée de manière hétérogène à la surface du dépôt et qu'elle évolue sous irradiation. La bordure du dépôt est composée de molécules lourdes et réticulées, tandis que le cratère est constitué d'un matériau de type graphite formé par les transformations chimiques du dépôt initial induites par le laser. L'utilisation d'un contaminant pur a simplifié les analyses chimiques et permis l'identification de fragments et de voies réactionnelles possibles reliant le diméthyle phtalate à un dépôt LIC de type graphite. Un nettoyage laser en présence d'oxygène a également été testé : il s'est révélé efficace avant la graphitisation, mais est devenu moins performant une fois les cratères formés.
Thesis resume
Lasers, as a key enabling technology, have entered the field of space applications for some time. Many recent, present, and future space missions rely on on-board optical instruments that incorporate high-power nanosecond lasers to achieve performances otherwise unattainable. However, the lifetime of such instruments remains a critical and limiting parameter due to an effect known as "laser-induced contamination" (LIC).
This phenomenon is particularly common with ultraviolet lasers operating under vacuum conditions, such as in space, or quantum optics applications, where the interactions between the laser, the optics, and volatile organic molecules, lead to the formation of organic, nanometric, and light-absorbing deposits on the irradiated optical surfaces.
In space, maintaining and cleaning the optics is very complicated. Thus, these deposits become permanent, and as they accumulate, they progressively degrade the instrument's optical performance, reducing its lifetime and in some cases, posing a mission failure risk. Consequently, understanding and mitigating LIC is crucial for ensuring the success of future space missions exploiting high-power-laser based technologies.
To achieve this, an experimental setup capable of generating LIC deposits under simulated space-like conditions was developed and validated at the Fresnel Institute. A combination of in-situ and ex-situ characterization techniques was used to investigate different aspects of LIC deposit formation, and chemical evolution. In-situ diagnostics included transmission measurements, laser-induced fluorescence, and gas-phase mass spectrometry, while ex-situ analyses used Nomarski and Scanning White Light Interference Microscopy (SWLI), Atomic Force Microscopy (AFM), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Optical-Photothermal Infrared (O-PTIR), and Raman spectroscopies, as well as Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS).
An experimental procedure was developed to ensure reproducible results, and a parametric study was performed to investigate, confirm, refute and extend existing literature. Two different contaminants were used: space-relevant compound contamination from the outgassing of 3M™ Scotch-Weld™ EC-2216 B/A Gray epoxy adhesive, and a pure contaminant, dimethyl phthalate, a common plasticizer in polymers.
Morphological analyses revealed that the deposits' morphology closely matched the laser beam profile's outline and exhibited the expected bump-to-crater evolution, although differences were observed depending on the used contaminant. Contrary to previous assumptions about the existence of a limiting thickness, the maximum deposit thickness continued to increase even after crater formation. The impact of contaminant vapor partial pressure, sample cleaning technique, laser-pulse temporal profile, laser peak fluence, and irradiation time on deposit growth were evaluated, and these results lead to the proposal of a model that describes the deposit growth dynamics. High-resolution AFM imaging revealed nanoscale structuring within the deposit and provided preliminary insights into the nucleation phase of deposit formation.
Chemical analyses showed that the chemical composition of LIC deposits differs significantly from that of simply condensed contaminants, is heterogeneously distributed across the deposit surface, and constantly evolves under irradiation. The deposit border was found to consist of heavy, crosslinked molecules, while the crater is composed of a graphite-like material that forms due to laser-driven chemical transformations of the deposited material. The use of a pure contaminant simplified the chemical analyses and enabled the identification of fragments and possible chemical reaction pathways linking dimethyl phthalate to a graphite-like LIC deposit. LIC Laser cleaning in an oxygen-containing environment was also tested and was found to be effective prior to graphitization but became less effective once craters were formed.