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

Endommagement laser,LMJ,Silice,

Keywords

Laser damage,LMJ,Silica,

Titre de thèse

Endommagement surfacique de la silice avec des faisceaux laser type LMJ
Laser induced damage of fused silica optics under LMJ-like laser beams

Date

Mercredi 13 février 2019

Adresse

Institut Lasers Plasma, 2640 Avenue du Médoc, 33114 Le Barp Amphithéatre de l'ILP

Jury

Directeur de these M. Jean-Yves NATOLI Aix Marseille Université
CoDirecteur de these M. Laurent LAMAIGNèRE CEA-CESTA
Examinateur Mme ji-ping ZOU LULI
Examinateur M. Philippe BOUYER IOGS
Examinateur M. Luc BERGé CEA-DIF
Rapporteur M. Laurent BERTHE
Rapporteur M. Guillaume DUCHATEAU Université de Bordeaux

Résumé de la thèse

Chacun des 176 faisceaux du Laser MégaJoule (LMJ) délivrera une énergie de 8 kJ à 351 nm, dans le régime nanoseconde, sur une cible millimétrique. Avant la focalisation, cette énergie est répartie de façon homogène sur une surface carrée de 400x400mm². Ce flux laser est susceptible d’être absorbé par des défauts présents sous la surface des optiques et d’endommager le composant. L’optique étant affaiblie dans les zones endommagées, tir après tir, les dommages absorbent le flux laser, et leur surface augmente. Le composant optique le plus sensible de l’installation est le hublot de chambre, composant épais (34mm) exposé à de fortes valeurs de flux laser à 351 nm. Le but de cette thèse est d’étudier l’initiation et la croissance des dommages sur ce composant avec un faisceau laser dont les propriétés sont proches de celles du LMJ. Un tel faisceau est délivré par le banc d’endommagement laser MELBA, permettant d’atteindre des valeurs de flux similaires à celles du LMJ sur un profil spatial homogène circulaire dont le diamètre est de l’ordre du centimètre et avec un profil temporel accordable. Cette étude est organisée en trois axes. Premièrement, la mesure de l’amorçage des dommages sur des composants épais. La propagation non linéaire du faisceau modifie la répartition spatiale de l’énergie sur la face de sortie et est fonction de l’épaisseur du composent. Cette étude nécessite une mesure juste de la répartition de l’énergie du faisceau après la propagation, tenant compte de l’impact de l’effet Kerr. La mise en œuvre d’un système d’imagerie dédié a permis de mesurer correctement la répartition d’énergie du faisceau et, par conséquent, de mesurer la tenue au flux de composants épais. Deuxièmement, l’étude de la croissance d’une population de dommages en fonction de la fluence et de la durée d’impulsion. Il a été montré que la probabilité et la dynamique de la croissance des dommages sont fortement dépendants de ces paramètres. Troisièmement, l’étude de la croissance de très gros dommages, de tailles millimétriques. Des comportements atypiques vis à vis des lois établies par la littérature ont été observés et expliqués par une observation et une quantification de la morphologie volumique des dommages. Les différences de morphologie observées en fonction de la durée d’impulsion du laser sont également susceptibles d’expliquer les écarts observés sur l’étude de la croissance de populations de dommages en fonction de la durée d’impulsion.

Thesis resume

Each of the 176 beams of the Laser MégaJoule (LMJ) facility will deliver an energy of 8 kJ at 351 nm, in the nanosecond regime, on a millimeter scale target. This energy is distributed evenly on a 400x400mm² square aperture, prior to the beam focusing. This energy density is likely to be absorbed by sub-surface defects induced by the polishing processes. This absorption eventually leads to laser-induced damage sites. These initiated damage sites absorb the laser energy during the subsequent shots and are likely to grow in size. The thick (34mm) optical windows situated after the frequency conversion module are exposed to the highest laser energies at 351nm and are the most sensitive to these phenomena. The goal of this thesis is to study the initiation and growth of damage sites on thick optical components with a laser beam that have similar properties to those of a LMJ beam. Such a beam can be delivered by the MELBA facility which can reach similar energy densities to those that can be found on the LMJ. The beam energy is evenly distributed on a centimeter scale circular aperture and the pulse shape and duration can be defined by the user. Three main axes have been explored in this work. The measurement of damage initiation on thick fused silica optical components have firstly been studied. The thickness of these optical components is likely to perturb the beam energy density via nonlinear propagation. These measurements therefore requires an accurate metrology of the energy density after the propagation through the optical component, thus taking Kerr small scale self focusing into account. A dedicated imaging setup has been implemented and proved to be able to accurately measure the energy density on the exit face. This setup has therefore been used to measure the damage density of thick optical components. The growth of a population of damage sites have secondly been studied as a function of the laser fluence and pulse duration. These two parameters have shown to be of critical importance to describe damage growth. Finally, the growth of damage sites up to millimeter scales have been studied. Atypical behaviors were observed and explained via the observation and quantification of the damage volumic morphology. Hypotheses based on the results of these measurements have been advanced to explain the results of the measurements of the growth of a population of damage sites.