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 d’étudier le comportement des matériaux dans des conditions extrêmes, similaires à celles atteintes lors du fonctionnement nucléaire des armes. Du fait des hautes densités d’énergie atteintes par les 176 faisceaux du LMJ, l’endommagement des optiques en silice de fin de chaîne est aujourd’hui au cœur des problématiques liées à l’exploitation et à la montée en énergie de l’installation. Puisque chaque expérience réalisée sur le LMJ est spécifique, les dépôts d’énergie 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 l’installation. 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 l’impulsion à différentes amplitudes et sur une large gamme de fréquences. Le banc d’étude 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 d’un module de mise en forme temporelle et l’installation récente d’un modulateur d’amplitude ont permis de mener une étude paramétrique de l’impact du profil temporel sur l’amorçage des dommages laser. Les résultats expérimentaux ont pu être confrontés à des simulations réalisées avec le code d’hydrodynamique lagrangien 1D ESTHER dans le but de mieux comprendre la dynamique d’interaction 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 l’impulsion laser jusqu’à la cible tout en garantissant la tenue du vide de la chambre d’expérience du LMJ. Les intensités élevées et l’épaisseur du hublot de chambre rendent le faisceau sensible aux effets de propagation non-linéaires tels que l’effet Kerr ou l’effet 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 l’aide de simulations de propagation non-linéaire complémentaires, il a été possible d’identifier 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.