Etude des mécanismes d'endommagement par laser impulsionnel des cristaux de saphir dopé titane, Study of pulsed laser induced damage mechanisms of Titanium doped Sapphire crystals

De
Publié par

Sous la direction de Mireille Commandré, Olivier Uteza
Thèse soutenue le 22 septembre 2010: Aix Marseille 2
L'utilisation des cristaux de saphir dopé Titane de grande dimensions au sein des chaînes laser ultra-rapides de fortes puissance crêtes rend cruciale la problématique de l'endommagement laser de ces cristaux. Les travaux présentés ici ont pour but de quantifier le seuil d'endommagement des cristaux de Titane : Saphir sous irradiation femtoseconde, picoseconde et nanoseconde, régimes d'interaction qui sont représentatifs à la fois des conditions rencontrées dans les chaînes laser et des régimes d'interaction laser matière distincts. De plus, l'influence de paramètres propres à l'utilisation des cristaux tels que la cryogénie, les traitements anti-reflets ou le type de pompage optique (impulsion temporellement monomode ou non) est ensuite étudiée. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre les mécanismes d'endommagement et d'identifier les paramètres clés qui devront être optimisés dans les futures chaînes laser ultra-rapides de fortes puissances crêtes.
-Endommagement laser
-Saphir dopé titane
-Saphir
-Nanoseconde
-Picoseconde
-Femtoseconde
The use of large Ti:Sapphire crystals in ultra fast high peak power laser amplifiers makes crucial the problem of crystal laser induced damage. These works aim to qualify the laser induced damage threshold of Ti:Sapphire crystals under femtosecond, picosecond and nanosecond laser pulse irradiations, which are typically encountered in such laser chains and representative of laser matter interaction regimes. Furthermore, the influence of parameters peculiar to Ti:Sapphire crystals use in laser systems, such a cryogenic conditions, anti-relection coatings, or optical pumping kind (temporally monomode or multimode pulses), has been performed. The results are important to understand the mechanisms leading to the damage, and to reveal the key parameters which will have to be optimized in future high peak power laser chains.
Source: http://www.theses.fr/2010AIX22070/document
Publié le : mardi 1 novembre 2011
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UNIVERSITEDELAMEDITERRANEEAIXMARSEILLEII


THESE

pourobtenirlegradede

DOCTEURENSCIENCESDEL’UNIVERSITEDELAMEDITERRANEE
AIXMARSEILLEII

Spécialité:PhysiqueetSciencesdelamatière
Mention:SciencedesMatériaux,Physique,ChimieetNanosciences

ExemplaireProvisoire

BenoîtBUSSIERE

Etude des mécanismes d’endommagement par
laser impulsionnel des cristaux de Saphir dopé
Titane



Directeursdethèse:MmeMireilleCOMMANDREetMOlivierUTEZA



CompositionduJury:

PatrickAUDEBERT Rapporteur
JérômeNEAUPORT Rapporteur
BenoîtBOULANGER Examinateur
LucVIGROUX Examinateur
JeanPaulCHAMBARET Examinateur
MireilleCOMMANDRE Directricedethèse
OlivierUTEZA Directeurdethèse
Table des matières
INTRODUCTION ......................................................................1

1 CONTEXTE ET APPROCHE DE L’ETUDE..........................9

1.1.LESCRISTAUXDESAPHIRDOPETITANE........................................... 12
1.1.1.CaractéristiquesdelamailledeSaphir..................................12
3+1.1.2.Conséquencesdudopageparl’ionTi ..................................14

1.2MECANISMESD’INTERACTIONLASERCRISTAUX.................................. 17
1.2.1.Perturbationdumatériau.....................................................18
1.2.2.Relaxationdumatériau........................................................23
1.2.2.1 Transitionsradiatives...........................................................................23
1.2.2.2 Transitionsnonradiatives....................................................................23
1.2.3.Effetsduplasma..................................................................25
1.2.4.Résumé:deuxrégimesdistinctsd’interaction........................26

1.3ENDOMMAGEMENTDESCRISTAUXDESAPHIRDOPETITANE .............. 28
1.3.1.Etatdel’artsurl’endommagementduTi:Saphir ......... ...........28
1.3.2.Pourquoiunedispersiondesmesuresdeseuil
d’endommagement?.....................................................................31
1.3.2.1 Variationdesconditionsdetest ...........................................................34
1.3.2.2 Détection(s)del’endommagement .......................................................34
1.3.2.3 Définition(s)d’unseuild’endommagement..........................................36

1.4STRATEGIEDEL’ETUDE .................................................................... 39
1.4.1.Objectifsdel’étude..............................................................39
1.4.2.Programmed’études............................................................39
1.4.3.Choixdelaméthodeexpérimentale .......................................40
1.4.4.Méthodologie,modélisationetinterprétationdelamesure de
probabilitéd’endommagement........................................................41
Tabledesmatières

2 DEVELOPPEMENT D’UN BANC DE TEST DE TENUE AU
FLUX........................................................................................45

2.1MOYENSEXPERIMENTAUX................................................................. 46
2.1.1.Descriptiondumontageexpérimental....................................46
2.1.2.Sourceslaserutilisées..........................................................47
2.1.3.Echantillonsétudiés.............................................................49

2.2DIAGNOSTICD’ENDOMMAGEMENT..................................................... 55
2.2.1.Diagnosticex2situ...............................................................55
2.2.2.Diagnosticinsitu................................................................56
2.2.2.1 Principeetmiseenœuvreexpérimentale.............................................57
2.2.2.2 Déroulementdeladétectionautomatique............................................61
2.2.2.3 Résultatsobtenusetconclusions ..........................................................64

2.3MESURESETREGLAGESPRELIMINAIRES............................................. 66
2.3.1.Surfaceirradiée ..................................................................66
2.3.2.Energied’endommagement...................................................67
2.3.2.1 Mesuredel’énergiesurcible.................................................................67
2.3.2.2 CasduTi:Saphirirradiéà532nm ........................................................68
2.3.3.Problèmesliésàlafocalisationdel’impulsionlaser................69
2.3.3.1 Aberrations...........................................................................................69
2.3.3.2 Autofocalisation....................................................................................70
2.3.4.Optimisationdesparamètresgéométriquesdetest..................74
2.3.4.1 Choixdutypedefocalisation...............................................................74
2.3.4.2 Mesuredel’indicenonlinéaireduSaphir ............................................76

2.4PRECISIONDELAMESUREDUSEUILD’ENDOMMAGEMENT................... 80
2.4.1.Erreursurlaprobabilitéd’endommagement...........................80
2.4.2.Erreursurlafluenced’irradiation ........................................84
2.4.3.Comparaisondesmesures ....................................................85



Table des matières
3 PRESENTATION ET ANALYSE DES RESULTATS
EXPERIMENTAUX.................................................................89

3.1ETUDEPARAMETRIQUE..................................................................... 90
3.1.1.Influencedelaqualitédepolissage........................................90
3.1.2.Comparaisondestenuesaufluxensurfaceetenvolumedu
Saphir.........................................................................................95
3.1.2.1 Remarquespréalables ...........................................................................95
3.1.2.2 Expériencesà532nm ............................................................................97
3.1.2.3 Importancedelalongueurd’onde ......................................................100
3.1.2.4 Expérienceenrégimefemtoseconde....................................................102
3.1.2.5 Interprétationdesrésultats ................................................................103
3+3.1.3.Effetdudopageparl’ionTi ............................................. 106
3.1.3.1 Irradiationinfrarouge:un«effetdudopage»?...............................107
3.1.3.2 Rôledudopageàdifférenteslongueursd’onde ..................................111
3.1.3.3 Irradiationà532nm............................................................................113
3.1.3.4 Synthèsesurl’influencedudopage.....................................................116
3.1.4.FatiguedescristauxdeSaphiretdeTi:Saphir ........ ............. 117
3.1.4.1 FatiguedescristauxdeSaphirpur.....................................................119
3.1.4.2 FatiguedescristauxdeTi:Saphir.......................................................121
3.1.5.Importancedelagéométriedefocalisation .......................... 124
3.1.5.1 Synthèsedesrésultatsobtenusavecunefortefocalisation.................124
3.1.5.2 Endommagementavecunfaisceauparallèle.......................................125
3.1.5.3 Comparaisondelatenueaufluxdecristauxdopésetnondopés......128

3.2OPTIMISATIONDESCHAINESCPA ....................................................130
3.2.1.Modificationdubancdetest............................................... 130
3.2.2.Influencedesconditionscryogéniques.................................. 132
3.2.3.Endommagementdescristauxtraitésanti2reflets.......... ........ 136
3.2.3.1 Endommagementdestraitementsantirefletsdanslesconditions
cryogéniques ......................................................................................................136
3.2.3.2 Comparaisondescristauxtraitésetnontraités.................................138
3.2.4.Discussionetsynthèsesurl’influencedelacryogénie ........... 141
3.2.5.Influenced’unpompagemonomode..................................... 142


SYNTHESE, CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ............. 145 Tabledesmatières

A.PROPAGATION D’UN FAISCEAU GAUSSIEN............. 153
A.1DISTRIBUTIONSPATIALEDEL’ENERGIE............................................153
A.2PROPAGATIOND’UNFAISCEAUGAUSSIEN.........................................155


B.CALCUL DE LA PROBABILITE D’ENDOMMAGEMENT
161
B.1. DESCRIPTIOND’UNEPOPULATIONDECENTRESPRECURSEURS.......161
B.2. PROBABILITED’ENDOMMAGEMENT...............................................162
B.3. REPARTITIONSURFACIQUEDESDEFAUTS......................................163
B.4. REPARTITIONVOLUMIQUEDESDEFAUTS.......................................165


BIBLIOGRAPHIE.................................................................. 169


Introduction

C’esten1986queP.F.Moultondécouvrelespropriétésspectralesexceptionnelles
des cristaux Saphir dopé Titane (Ti:Sa) [1]. Ces cristaux ont en effet l’avantage de
posséderlesremarquablespropriétésmécaniques,thermiquesetélectriquesdescristaux
deSaphirpur.Deplus,àlamêmeépoque,denouvellestechniqueslasersontmisesau
point,tellesquel’amplificationd’impulsions àdérivedefréquence,plusconnuesous
son acronyme anglais CPA (Chirped Pulse Amplification) [2] ou l’autoblocage de
modes[3].

Toutes ces découvertes ont révolutionné la conception et les performances des
sources laser ultrarapides à forte puissance crête [46]. Autrefois confinées à des
12puissancescrêteinférieuresauTW(1TW=10 W),ellespeuventaujourd’huidélivrer
15des impulsions avec des puissancescrête de l’ordre du PetaWatt (1PW = 10 W) à
faiblecadence(del’ordreduHertz)etplusieurscentainesdeTeraWattà10Hz,etce
enrestantaccessiblesparleurcoûtetleurencombrementàdenombreuxlaboratoires.
Detelssystèmesontouvertlarechercheexpérimentalesurdenouveauxdomainesdela
physiquedesplasmasetdel’interactionlasermatièreàtrèshautflux[79],commela
génération d’harmoniques d’ordre élevé qui permet la génération de rayonnements
cohérents dans l’UltraViolet Lointain, la génération de sources X et Gamma
cohérentesetl’accélérationdeparticules(électrons,protons,...)[10].Eneffet,lorsque
lesimpulsionsissuesdetellessourcessontfocaliséessurquelquesmicrons,leschamps
électriquesobtenuspeuventatteindreplusieurscentainesdeGV/cm,etlesparticules
sont alors accélérées à des vitesses relativistes, ce qui permet à de nombreux
laboratoiresdemenerdesrecherchesdansundomainedelaphysiquefondamentalequi
étaitjusqu’alorsréservéauxgrandsaccélérateursdetypesynchrotron[11].Cessources
dehauteintensitétrouventégalementdesapplicationsàcaractèresociétalcommele
traitementdecellulescancéreusesouàpluslongtermelatransmutationdesdéchets
radioactifs(voirlechapitredeJP.ChambaretetC.Hirlimanndans[12]).

Motivéeparcesperspectivesd’applications, unevéritable«courseàla puissance
crête»s’estmiseenplaceetdenombreuxprojetsplusambitieuxsontaujourd’huien
courspourobtenirplusieursdizainesvoireplusieurscentainesdePetaWatt.

1 Introduction
Pourcomprendrelesverroustechnologiquesquifreinentactuellementlaprogression
des sources à haute intensité, rappelons tout d’abord le principe d’une chaîne laser
utilisantlatechnologieCPA(cf.FigureI1).Notonsquenousnousplaçonsdirectement
dansuncascrucialdedéveloppementtechnologiqueetindustriel(réalisationdesources
PWfiables).Lescaractéristiquesmentionnéescorrespondentainsiàdesperformances
typiquescibléesdansledesigndeschaîneslaserTi:SaultraintensesdeclassePW.

Unoscillateurfournitdesimpulsionsdefaibleénergieetdecourtedurée(del’ordre
de15fs)à800nm.Lespectredecesimpulsionsestparconséquentrelativementlarge
(del’ordrede100nm).Autraversd’unétireuràréseaux,lespectredecesimpulsions
est temporellement réparti, de manière à obtenir des impulsions «chirpées» d’une
duréedequelquescentainesdepicosecondes.

C’estlàtoutel’astucedessourceslaserutilisantlatechniqueCPA:unefoisces
impulsionsétirées,ellespeuventêtreamplifiéesenlimitantconsidérablementleseffets
4nonlinéaires,lapuissancecrêteétantabaisséed’unfacteursupérieurà10 .L’impulsion
traverse alors une série d’amplificateurs, chacun d’entre eux utilisant un cristal de
TitaneSaphir pompé optiquement par des lasers YAG multimodes doublés en
fréquence(532nm)etdeduréed’impulsiondequelquesnanosecondes.Lescristauxde
Titane Saphir absorbent ces impulsions, et amplifient par émission stimulée les
impulsionschirpéesà800nmprovenantdesétagesprécédents.

Oscillateur Etireur Amplificateurs Compresseur
(nJ,15fs) (qq 100ps) (jusqu’à 40J) (30J / 30fs)
Pompes (532nm,
5ns, jusqu’à
120J/ampli)


FigureI1:PrincipedelatechniqueCPA.

Letraitementantirefletdescristauxpermetdelimiterlespertesparréflectivitéà
800nm et 532nm. De plus afin de favoriser la dissipation thermique de l’énergie
absorbée,etlimiterainsilaformationd’unelentillethermique,lescristauxdesderniers
étagesamplificateurssontplacésdansuneenceintecryogénique.

Grâce à un compresseur à réseaux, les impulsions chirpées sont ensuite
recomprimées pour avoir une durée de l’ordre de la durée nominale initiale. Si l’on
obtient une impulsion de l’ordre de 15fs, on recouvre une impulsion limitée par la
transforméedeFourier;danslecasdesimpulsionsultraintenses,onobtientengénéral
2 Introduction

desduréesd’impulsionslégèrementpluslongues(typiquement30fs),consécutifsd’effets
detroncatureduspectre(raccourcissementparlegainprincipalement).

Maisintensifierleflux(enaugmentantlaquantitéd’énergieouenlaconcentrant
spatialementoutemporellement),produitdanslescomposantsdeseffetsirréversibles
altérantleurfonction optique.Defaçontrèsgénérale,onappelle «endommagement
laser » toute modification irréversible (fusion, vaporisation, formation de fractures,
éjection de matière, décollement...) d’un composant soumis à un flux intense. Ce
phénomèneaffecteladuréedeviedescomposantsoptiquesetlecoûtdemaintenance
deschaîneslaser.L’endommagementdescomposantsoptiquessousirradiationintense
est un des verrous technologiques qui freinent actuellement le développement des
sources lasers de forte puissance et de leurs applications. La compréhension des
phénomènesphysiques,lamesureetl’améliorationdesseuilsdetenueaufluxsontdonc
d’uneimportancemajeurepourlaconceptiondessystèmeslaseretleurutilisationdans
desconditionsoptimalesdefiabilitéetderentabilité.Etudiéesdepuisl’invention du
laser, la physique et la métrologie de l’endommagement laser ont fait l’objet de
nombreusesrecherchesetontfaitdesprogrèsconsidérables[13,14].

Uneprogressionfulgurantedesperformancesdessourcesultraintensesaétéréalisée
aucoursdeces20dernièresannées.Ledéveloppementtechnologiquedetelssystèmes
obéitàdeuxtypesd’améliorations:desprogrèstechniquespermettantunemeilleure
maîtrise des performances existantes, et des ruptures technologiques qui ouvrent de
nouvellesperspectivesdeperformances.

Parmilesnombreuxprogrèstechniquessurvenuscesdernièresannées,onpeutciter
l’amélioration des performances des lasers de pompe, qui délivrent aujourd’hui des
énergiesdeplusieursJoulesàdescadencesrelativementélevées(del’ordrede10Hz).
Cecis’estaccompagnéd’unemeilleuremaîtrisedeleurprofilspatial.Parallèlement,la
qualité des optiques (tenue au flux bien sûr, mais aussi bande passante, pureté des
matériaux,traitementsdesurface,…)aénormémentprogressé.Cesaméliorationsont
largement contribué à l’ajout au fil des années de nouveaux étages amplificateurs
délivrantuneénergieplusélevée,augmentantainsilapuissancedélivrée[1517].
Plusrécemment,denouvellesméthodessontapparues,commeledesigndel’étireur
d’Öffner(libred’aberrations[18]),l’utilisationd’élémentsacoustooptiques(Dazzleret
Mazzler[19])quipermettentdecorrigerlaphaseetlespectre(doncindirectementla
durée) de l’impulsion, l’utilisation d’enceintes cryogéniques dans les étages
amplificateursdefortepuissance(gestiondelathermie),lamiseaupointd’optiques
adaptativesperformantes(miroirsdéformables,matricesdecristauxliquides,matrices
demicrolentilles,…)pourcontrôlerleprofilspatialdufaisceau,ouencorelatechnique
XPWquipermetd’augmenterlecontrastedel’impulsionparuneffetnonlinéaire[20].
Toutescestechniquessontassociéesàdesméthodesdediagnosticplusperformantes
3 Introduction
ème(SPIDER[21],FROG[22],Autocorrélateurdu3 ordre…).Lalisteestencorelongue,
et de nombreuses recherches sont aujourd’hui en cours pour explorer les différentes
voiesd’améliorationspossibles.
Cette thèse s’inscrit dans cette dynamique. Elle a pour objectifs d’étudier et de
comprendrelesphénomènesd’endommagementdanslescristauxdeSaphirdopéTitane
afindepermettreuneoptimisationdupompageoptique,c'estàdireunediminutiondu
compromis réalisé actuellement entre efficacité d’extraction et risque
d’endommagement.

Parallèlementàcesaméliorations,desavancéesimportantesontpermisunerupture
technologiqueouvrantlavoieversdesperformancesaccrues.Onpeutciterlamiseau
pointdelaméthodedecroissanceHEM,quiarepousséleslimitespourl’obtentionde
cristauxdegrandesdimensionsetdebonnequalité.Nuldoutequedetellesavancées
serontnécessairespourrepousserencoreleslimitesdeschaîneslaserCPA.Leprojet
ELI[23],quiprévoitlarecombinaisoncohérentede12lasersde10PWpourformerun
faisceaude120PW,s’inscritparexempleclairementdanscecadrededéveloppement.
Architectures des amplificateurs (schéma de pompage, OPCPA, …) ou des systèmes
(laserhybrides,…),matériaux(amplificateurs,couchesminces,réseaux,…),techniques
de polissage et de cristallogenèse, sont autant d’axes de recherche susceptibles de
repousserlesfrontièresdessystèmesCPA.
Lathèseprésentéeiciapporte,parunemétrologieprécisedelatenueaufluxdes
cristauxdeTi:Saetunecompréhensiondel’influencedesdifférentsparamètresmisen
jeu,desinformationsimportantespourpréparerdetellesavancées.

Aujourd’hui,defaçonglobale,uncertainnombredeverroustechnologiquesdoivent
être franchis pour permettre l’évolution des chaînes CPA. On peut répartir ces
difficultésenquatrecatégories[12]:
lecontrastetemporel,liéaufondd’émissionspontanéeamplifiée(ASE),devient
problématiqueaufuretàmesurequelesintensitéscrêtesaugmentent.Uncontrastede
206ordresdegrandeursentrel’ASEetuneimpulsiond’intensitécrête10 W/cmZplace
14l’ASEàuneintensitéde10 W/cmZlargementsuffisantepourinteragiraveclaplupart
desmatériaux.Aujourd’hui,degroseffortssontportéssurceproblèmedecontraste,et
descontrastesde9ordresdegrandeursontaujourd’huiatteintssurdessystèmesde
100TW[24].
ledéveloppementdeslasersdepompeversleshautesénergiesethautespuissances
moyennes,toutenaméliorantlaqualitéspatialedesimpulsionsqu’ilsdélivrent.
Les problèmes liés aux amplificateurs finaux, tel que l’émission laser transverse
danslescristaux[25],l’utilisationdelacryogénieetlatenueaufluxdescristaux.
La tenue au flux et l’efficacitédes réseaux de diffraction utilisés dans le
compresseur.

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