Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE
Etablissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Métrologie des faisceaux,Endommagement laser,Laser Mégajoule,Non linéaire,Silice,
Keywords
Non-linear,Laser Megajoule,Beam metrology,Silica,Laser damage,
Titre de thèse
Impact du profil temporel sur l'endommagement laser des composants de fin de chaîne en silice du LMJ
Impact of temporal pulse shaping on laser-induced damage of final silica optics in the LMJ beamline
Date
Mardi 15 février 2022 à 14:00
Adresse
Institut Laser Plasma,
2640 Av. du Médoc,
33114 Le Barp
France Amphithéarte de l'ILP
Jury
Directeur de these |
M. Jean-Yves NATOLI |
Aix-Marseille Université |
CoDirecteur de these |
M. Laurent LAMAIGNERE |
CEA / CESTA |
Examinateur |
Mme Catherine CHERFILS |
CEA / DIF |
Examinateur |
M. Jean-Michel DI NICOLA |
Lawrence Livermore National Laboratory |
Examinateur |
M. Michel BOUSTIE |
Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique (ENSMA) |
Rapporteur |
M. Jean-Christophe CHANTELOUP |
Ecole Polytechnique |
Rapporteur |
M. Christophe DORRER |
University of Rochester, Laboratory for Laser Energetics |
Résumé de la thèse
Le laser Mégajoule (LMJ) est un grand instrument de physique permettant détudier le comportement des matériaux dans des conditions extrêmes, similaires à celles atteintes lors du fonctionnement nucléaire des armes. Du fait des hautes densités dénergie atteintes par les 176 faisceaux du LMJ, lendommagement des optiques en silice de fin de chaîne est aujourdhui au cur des problématiques liées à lexploitation et à la montée en énergie de linstallation. Puisque chaque expérience réalisée sur le LMJ est spécifique, les dépôts dénergie requis sur cible, contrôlés temporellement, sont différents. Dès lors, les composants optiques vont être éclairés par des impulsions laser de profils de puissance différents au cours de leur vie sur linstallation. De plus, certains effets de propagation subis comme la conversion FM-AM (Frequency Modulation - Amplitude Modulation) peuvent dégrader la tenue au flux laser des composants en générant des surintensités dans limpulsion à différentes amplitudes et sur une large gamme de fréquences.
Le banc détude MELBA (CEA CESTA) a été développé pour permettre de tester la tenue au flux laser des composants avec des faisceaux au mieux représentatifs du LMJ. En particulier, la présence dun module de mise en forme temporelle et linstallation récente dun modulateur damplitude ont permis de mener une étude paramétrique de limpact du profil temporel sur lamorçage des dommages laser. Les résultats expérimentaux ont pu être confrontés à des simulations réalisées avec le code dhydrodynamique lagrangien 1D ESTHER dans le but de mieux comprendre la dynamique dinteraction laser-matière mise en jeu.
Le hublot de chambre est un composant optique en silice situé en fin de chaîne du LMJ. Il permet de transmettre limpulsion laser jusquà la cible tout en garantissant la tenue du vide de la chambre dexpérience du LMJ. Les intensités élevées et lépaisseur du hublot de chambre rendent le faisceau sensible aux effets de propagation non-linéaires tels que leffet Kerr ou leffet Brillouin. Ces deux effets peuvent dégrader sa tenue au flux laser. Des mesures de propagation non-linéaire ainsi que des tests de tenue au flux laser sur ce composant épais ont été réalisés sur MELBA pour différents profils temporels. A laide de simulations de propagation non-linéaire complémentaires, il a été possible didentifier certains paramètres temporels critiques pouvant mener à un surendommagement important au niveau du hublot de chambre.
Thesis resume
The MégaJoule Laser (LMJ) is an experimental facility that aims at studying the behavior of materials under extreme conditions, similar to those achieved during the operation of nuclear weapons. Due to the high energy densities reached by the 176 beams of the LMJ, laser-induced damage (LID) of final silica optics in the beamline is one of the main limiting factors for energy increase on the facility. Different experiments carried out on the LMJ facility rely on the possibility of changing the power profile in order to control the energy deposit on the experimental target. This means that laser pulses presenting different power profiles will illuminate optical components during their lifetime on the beamline. Moreover, a laser propagation effect undergone by the laser pulse, known as FM to AM conversion (Frequency Modulation - Amplitude Modulation), can increase LID of silica optics by generating power modulations at different amplitudes and over a wide range of frequencies.
The development of the MELBA testbed (CEA CESTA) led to the possibility of studying LID of optical components with beams that are best representative of those used on LMJ. We carried out a parametric study on the impact of the temporal profile on LID thanks to the recent implementation of a temporal shaping module and an amplitude modulator. Comparison of experimental results with simulations run with the Lagrangian hydrodynamic code 1D ESTHER led to a better understanding of the dynamics of laser-matter interaction involved during the formation of laser-induced damage.
The vacuum window is an optical silica component located at the end of the LMJ beamline. Its main purpose is to transmit the laser pulse to the target while guaranteeing LMJ's experiment chamber high vacuum requirements. The high laser intensity and the thickness of the vacuum window are such that the laser beam is sensitive to non-linear propagation induced by Kerr or Brillouin effects. These two effects can lead to an increase of LID. Non-linear propagation measurements as well as LID tests were carried out on this thick silica for different power profiles. With the help of complementary non-linear propagation simulations, it was possible to identify some critical temporal parameters that could lead to a significant increase in LID for the vacuum window.