Soutenance de thèse de GROSJEAN Sylvain
Titre de thèse
Étude de l'endommagement laser UV des optiques en silice dans le cadre du LMJ : rôles du nombre de tirs et de la polarisation
Study of UV laser-induced damage of silica optics within the LMJ framework : roles of the number of shots and the polarization
Résumé de la thèse
Le Laser MégaJoule (LMJ), situé au centre du CEA-CESTA, est un grand instrument de physique. Il est constitué de 176 faisceaux laser de hautes énergies (7.5 kJ) et de grandes dimensions (40 cm x 40 cm). Une fois focalisés, ces faisceaux permettent de porter la matière à des conditions de température et de pression extrêmes afin de réaliser des expériences de physique des plasmas. Une des principales limites à l'exploitation et à l'énergie laser maximale atteignable du LMJ est l'endommagement laser. Plus précisément, les optiques de silice de fin de chaîne du LMJ peuvent être endommagées par les hauts flux laser UltraViolet (UV) qui les traversent. Dans le but d'optimiser les coûts de fonctionnement et de maintenance, cette endommagement doit être efficacement prédit.
Notamment, ces prédictions se basent sur des tests réalisés en laboratoire pour une unique illumination laser. La représentativité de tels tests n'est pas assurée car au cours de l'utilisation d'une optique, celle-ci sera soumise à de nombreux tirs laser. De plus, les hauts flux laser et l'épaisseur des optiques traversées induisent des effets de propagation non-linéaire qui favorisent l'endommagement laser. Un projet en cours d'étude a pour objectif de changer les polarisations linéaires des faisceaux LMJ en polarisations circulaires ce qui réduirait l'effet de propagation non-linéaire Kerr.
Afin de pouvoir étudier l'endommagement laser dans des conditions qui se veulent représentatives de celles des optiques LMJ, le banc MELBA du CEA-CESTA a été développé. En particulier, la taille du faisceau quasi-centimétrique a par exemple permis d'étudier les phénomènes de propagation non-linéaire dans le cas de faisceaux larges.
L'impact d'un changement de polarisation sur l'endommagement laser a été étudié dans ces conditions. Les résultats expérimentaux ont montré que la polarisation ne fait que diminuer l'effet Kerr mais n'a pas d'impact sur l'endommagement laser. Au global, la Tenue au Flux Laser (TFL) des optiques de silice peut apparaître supérieure en polarisation circulaire, notamment pour les optiques épaisses qui sont sensibles aux effets de propagation. Ces résultats ont pu être confrontés à des modèles théoriques et des simulations.
L'impact du nombre de tirs sur l'endommagement laser a également pu être étudié. A tout d'abord été mesuré si des impulsions laser sous seuils d'endommagement peuvent modifier la TFL d'une optique dans nos conditions expérimentales. Il a été mesuré qu'en moyenne, la TFL des optiques n'est pas dégradée voir qu'elle est dans certains cas améliorée, on parle alors de conditionnement laser. A ensuite été étudié comment l'instabilité tir à tir d'un faisceau laser peut favoriser l'endommagement. La comparaison des mesures avec un modèle théorique indique que le nombre de tirs et l'instabilité d'un faisceau augmente effectivement le nombre de dommages amorcés. En revanche, du fait du conditionnement laser survenant au fil des tirs, le sur-endommagement mesuré est inférieur à celui attendu par le modèle.
Thesis resume
The Laser MegaJoule (LMJ), located at the CEA-CESTA center, is a large-scale physics instrument. It consists of 176 high-energy laser beams (7.5 kJ) with large dimensions (40 cm x 40 cm). Once focused, these beams allow to bring matter to extreme temperature and pressure conditions in order to conduct plasma physics experiments. One of the main limitations to the operation and maximum achievable laser energy of the LMJ is laser-induced damage. Specifically, the final fused silica optics can be damaged by the intense UltraViolet (UV) laser beams that pass through them. To optimize operating and maintenance costs, this damage must be efficiently predicted.
Notably, these predictions are based on laboratory tests realised with a single laser illumination. The representativeness of such tests is not ensured because, during practical use, an optic will be subjected to numerous laser shots. Additionally, both high laser intensities and the thickness of the optics traversed induce nonlinear propagation effects that favor laser damage. An ongoing project aims to change the linear polarizations of the LMJ beams to circular polarizations, which would reduce the Kerr nonlinear propagation effect.
To study laser damage under conditions closer to those experienced by LMJ optics, the MELBA at CEA-CESTA was developed. In particular, the quasi-centimeter beam size has allowed the study of nonlinear propagation phenomena in the case of large beams.
The impact of polarization change on laser damage was studied under these conditions. Experimental results showed that polarization only reduces the Kerr effect but has no impact on laser damage. Overall, the Resistance to Laser Flux (RLF) of the silica optics can appear superior in circular polarization, particulary in the case of thick optics, that are prone to non-linear propagation effects. These results were compared with theoretical models and simulations.
The impact of the number of shots on laser damage was also studied. Initially, it was measured whether laser pulses below the damage threshold could modify the RFL of an optic under our experimental conditions. It was measured that, on average, the RLF of the optics is not degraded and is in some cases even improved, a phenomenon known as laser conditioning. Subsequently, the study focused on how shot-to-shot instabilities of a laser beam can promote damage. The comparison of measurements with a theoretical model indicates that the number of shots and beam instability effectively increase the number of initiated damage sites. However, due to laser conditioning occurring over successive shots, the additional damage measured is lower than the one expected by the model.