No description available.

No description available.

Une des limitations du fonctionnement des grandes chaines lasers de puissance telle que le Laser MegaJoule, est la problématique de l’endommagement laser des composants optiques. Différents phénomènes physiques qui dépendent à la fois des propriétés des matériaux, de leurs conditions de fabrication/ préparation et des paramètres d’irradiation laser peuvent conduire à un amorçage de dommages sur la surface ou dans le volume, qui vont croître lors d’irradiations successives. Ce phénomène limite la montée en puissance, affecte la durée de vie des composants optiques et le coût de maintenance des chaînes laser. Il peut également être à l’origine de graves problèmes de sécurité. Pour remédier à cette croissance des dommages et augmenter la durée de vie des composants en silice, un procédé laser dit de «stabilisation » est étudié dans le cadre de cette thèse, l’objectif étant de traiter les dommages pour arrêter leur croissance sous tirs répétés afin de recycler les optiques endommagées. Ce processus consiste en une fusion, suivie d’une évaporation locale, par dépôt d’énergie localisé par un faisceau laser CO2, de la zone fracturée de silice. Nous nous sommes intéressés particulièrement à la stabilisation de dommages laser sur silice par un procédé de micro-usinage par laser CO2 dans le but de traiter des dommages de dimensions millimétriques. Cette technique est basée sur une micro-ablation rapide de la silice durant laquelle le faisceau laser est balayé à la surface du composant afin de former un cratère de forme ajustable (typiquement conique) englobant le site endommagé. Un banc d’expérimentations a ainsi été mis en place à l’Institut Fresnel pour développer et étudier ce procédé. Différents travaux numériques et expérimentaux ont également été menés pour valider et optimiser la technique. Nos travaux ont montré l’efficacité de ce procédé de micro-usinage par laser CO2 pour arrêter la croissance de dommages de plusieurs centaines de microns de largeur et de profondeur. Pour parvenir à cet objectif nous nous sommes appuyés sur la modélisation des phénomènes physiques mis en jeu lors des expériences de stabilisation en utilisant le logiciel de simulation multi-physique COMSOL. D’une part, le modèle thermique, développé au cours de cette thèse, permet de calculer la distribution de température dans le matériau pendant le tir laser avec ou sans mouvement du faisceau. Combinées à une approche thermodynamique, ces simulations thermiques permettent de décrire les transformations de la silice lors de l’irradiation afin de prédire la morphologie des cratères formés dans le verre. D’autre part, la partie mécanique du modèle permet de simuler la position et la valeur des contraintes résiduelles, générées dans le matériau autour du cratère CO2, lors de l’élévation de température suivie du refroidissement rapide. D’autres expériences concernant le traitement de fractures liées au polissage, ou des défauts de fabrication de réseaux de silice sont également traités dans ce manuscrit. / One limitation of the operation of large power lasers chains such as Laser MegaJoule, is the issue of laser damage of optical components. Different physical phenomena which depend on both the properties of materials, their conditions of manufacture / preparation and laser irradiation parameters can lead to damage initiation on the surface or in the volume, which will grow under successive irradiation. This effect limits the output power, affects the lifetime of the optical components and the maintenance cost of the laser. It can also cause serious safety problems. To address this issue and increase the lifetime of fused silica components, a laser process called "stabilization" is studied in this thesis, the aim being to treat the damage sites to stop their growth under repeated pulses for recycling damaged optics. This process consists of melting, followed by local evaporation by localized energy deposition by a CO2 laser beam of the damage site. We focused particularly on the stabilization of silica components by a micromachining process using a CO2 laser in order to treat millimeter size damages. This technique is based on fast micro-ablation of the silica during which the laser beam is scanned on the component surface to form an adjustable form of crater (typically conical) including the damaged site. A bench of experiments has been set up at the Fresnel Institute to develop and study this process. Various numerical and experimental works were also conducted to validate and optimize the technique. Our work has shown the efficiency of this micro-machining process by CO2 laser to stop the growth of damage to several hundred microns wide and deep. To achieve this goal we relied on modeling of physical phenomena involved in stabilization experiments using the COMSOL Multiphysics simulation software. First, the thermal model developed in this thesis is used to calculate the temperature distribution in the material during laser irradiation with or without movement of the beam. Combined with a thermodynamic approach, these thermal simulations can describe the transformation of silica during irradiation and predict the morphology of craters formed in the glass. Secondly, the mechanical part of the model can simulate the position and value of residual stress generated in the material around the crater after the temperature rise followed by rapid cooling. Other experiments on the treatment of fractures related to polishing on silica surfaces, or manufacturing defects on silica gratings are covered in this manuscript.

Cette thèse s’intéresse à l’endommagement laser d’optiques réflectives en régime sub-picoseconde. Ces composants optiques, réalisés à partir d’empilements sub-micrométriques de matériaux diélectriques, sont couramment utilisés dans les installations laser de puissance telles que le laser PETAL. Ce dernier, construit sur le centre du CEA-CESTA en France, a été conçu pour délivrer des impulsions de 500 fs et de quelques kJ à une longueur d’onde de 1053 nm, dans le but d’atteindre des puissances supérieures à 6PW. Dans ce type d’installations de puissance, afin de limiter l’accumulation d’effets non-linéaires liés à la propagation d’impulsions intenses, des optiques réflectives en fin de chaîne se substituent aux optiques en transmission. Les composants optiques illuminés par les plus fortes densités de puissance sont des réseaux de compression, des miroirs et une parabole qui servent respectivement à la compression temporelle des impulsions, au transport du faisceau ainsi qu’à sa focalisation. Le phénomène d'endommagement laser est le paramètre principal qui limite la puissance accessible par ces lasers. Il est nécessaire de comprendre et de maîtriser ce phénomène afin de fiabiliser une installation laser et également d’améliorer ses performances. Trois axes d’études ont donc été explorés. Le premier concerne la conception d’optiques réflectives. Des définitions de structures sont recherchées afin d’obtenir de hautes efficacités de diffraction dans le cas des réseaux et des forts coefficients de réflexion dans le cas des miroirs, tout en diminuant le renforcement du champ électrique dans les structures, l’une des causes de l’endommagement laser. Le second axe d’étude porte sur la mise en place d’une métrologie fine de l’endommagement laser avec le développement de nouvelles procédures de test. Elles amènent de nouveaux points de vue pour la qualification de la résistance au flux laser des optiques. En dernier lieu, nous étudions le phénomène de croissance des dommages lorsqu’ils sont soumis à plusieurs irradiations laser. L’évolution de la surface des dommages lors de séquences de croissance est observée, quantifiée et comparée à un modèle numérique. Cela nous permet de mieux comprendre la phénoménologie de la croissance des dommages en régime sub-picoseconde. A terme, elles permettront de développer des modèles de prédiction de l’endommagement et des outils pour l’amélioration des optiques utilisées sur chaîne laser. / In this thesis, laser-induced damage phenomenon of reflective components is investigated in the sub-picosecond regime. These components, made of stacks of dielectric materials, are widely used in powerful laser facilities such as PETAL laser. PETAL laser has been built at the CEA-CESTA in France to deliver multi-kJ/500fs pulses at 1053nm and reach a power higher than 6PW. For this kind of laser systems, reflective components are commonly used instead of optics operating in transmission to limit the accumulation of non-linear phase along the beam propagation due to the high intensities. Optical components irradiated by the highest power densities are the pulse compression gratings, transport mirrors and the focusing parabola, located at the end of the laser chain. Nowadays, laser-induced damage is the main factor that limits the overall performances of powerful laser systems. This manuscript presents three study axes to better understand and control damage phenomenon. The first one concerns the conception of reflective optics for the petawatt applications. The design of new structures has been investigated to reach high diffraction efficiencies in the case of pulse compression gratings and a high reflectivity in the case of mirrors, while reducing the Electric-field enhancement which is one of the causes of the laser-induced damage. The second axis deals with the development of a precise damage metrology with new testing tools which brings new perspectives and a new viewpoint for the assessment of the laser resistance of optical components. Finally, the third axis concerns the study the damage growth after several irradiations in the sub-picosecond regime. The evolution of the damage area during growth sequences is observed and compared to numerical simulations. It enables to improve the understanding in the growth phenomenon. In the end, these studies will allow to develop predictive models of the laser-induced damage and new tools for the conception of reflective optics for petawatt applications.

Cette thèse porte sur l'endommagement laser de composants optiques en silice amorphe en régime nanoseconde. Ce matériau diélectrique est l'un des plus couramment utilisés en optique et notamment sur des installations laser de haute énergie telles que le Laser MégaJoule. Afin de garantir le fonctionnement nominal d'une installation, l'endommagement laser des composants optiques doit être compris et maîtrisé. Ce phénomène induit une modification irréversible du matériau modifiant la propagation du faisceau. Dans le régime nanoseconde, l'endommagement laser de la silice est corrélé à la présence de défauts précurseurs qui sont une conséquence de la synthèse et du polissage des composants. L'interaction de ces précurseurs avec le laser va dépendre des caractéristiques de ce dernier. Une première étude est consacrée à la métrologie des impulsions utilisées en laboratoire pour étudier l'endommagement laser. Une seconde étude porte sur les mécanismes d'amorçage des dommages sur la face de sortie des composants optiques faits de silice. Une dernière partie porte sur l'influence de la propagation non linéaire sur l'endommagement surfacique et volumique des composants épais faits de silice. / In this thesis, laser-induced damage phenomenon in fused silica components is investigated in the nanosecond regime. This material is one of the most widely used in optics, particularly on high-energy laser facilities such as the Laser MégaJoule. In order to ensure the nominal operation of this kind of laser facility, laser-induced damage on optical components has to be understood and controlled. This phenomenon consists in an irreversible modification of the material. In the nanosecond regime, laser-induced damage is tightly correlated to the presence of precursor defects which are a consequence of the synthesis and the polishing of the components. The interaction between these precursor defects and the laser pulses strongly depends on the laser characteristics. The first study focuses on the metrology of the laser beam used in laboratory to study laser-induced damage. The second one consists in a parametric study of the initiation mechanism on the rear surface of fused silica components. The last part deals with the influence of nonlinear propagation on laser induced damage on the surface and in the volume of thick fused silica samples.

Cette thèse vise à connaître et expliquer l’impact de la contamination moléculaire sur l’endommagement laser des optiques en silice d'un laser de puissance tel que le Laser Méga Joule (LMJ). L'une des causes de l'endommagement prématuré de ces optiques est l'adsorption de polluants moléculaires ou particulaires à leur surface. Dans le contexte particulier du LMJ, nos conditions d'études laser sont des fluences supérieures à 10 J/cm², une longueur d’onde de 351 nm et une durée d’impulsion de 3 ns pour une irradiation en monocoup. Des prélèvements moléculaires, l’analyse du dégazage des matériaux, et l’identification de la contamination condensée sur les surfaces des optiques présentes dans des environnements jugés critiques, ont permis de déterminer certains polluants critiques. Des expériences de contamination contrôlée impliquant ces polluants ont alors été menées afin de comprendre et modéliser leur effet sur l'endommagement laser des optiques. Ceci nous a conduits à proposer plusieurs mécanismes supposés. / Laser induced damage impact of molecular contamination on fused polished silica samples in a context of high power laser fusion facility, such as Laser MegaJoule (LMJ) has been studied. One of the possible causes of laser induced degradation of optical component is the adsorption of molecular or particular contamination on optical surfaces. In the peculiar case of LMJ, laser irradiation conditions are a fluence of 10 J/cm², a wavelength of 351 nm, a pulse duration of 3 ns for a single shot/days frequency. Critical compounds have been identified thanks to environmental measurements, analysis of material outgassing, and identification of surface contamination in the critical environments. Experiments of controlled contamination involving these compounds have been conducted in order to understand and model mechanisms of laser damage. Various hypotheses are proposed to explain the damage mechanism.

The contributions of nonlinear absorption processes to laser-induced damage of three selected groups of transparent dielectrics were investigated. The studied materials were irradiated and non-irradiated fused silica, doped and undoped fluorozirconate glass and cubic zirconia stabilized with yttria. The laser-induced damage thresholds, prebreakdown transmission, and nonlinear absorption processes were studied for several specimens of each group. Experimental measurements were performed at wavelengths of 1064 nm and 532 nm using nanosecond and picosecond Nd:YAG laser pulses. In the irradiated fused silica and fluorozirconate glasses, we found that there is a correlation between the damage thresholds at wavelength λ and the linear absorption of the studied specimens at λ/2. In other words, the laser-induced breakdown is related to the probability of all possible two-photon transitions. The results are found to be in excellent agreement with a proposed two-photon-initiated electron avalanche breakdown model. In this model, the initial "seed" electrons for the formation of an avalanche are produced by two-photon excitations of E' centers and metallic impurity levels which are located within the bandgaps of irradiated Si02 and fluorozirconate glasses, respectively. Once the initial electrons are liberated in the conduction band, a highly absorbing plasma is formed by avalanche impact ionization. The resultant heating causes optical damage. In cubic zirconia, we present direct experimental evidence that significant energy is deposited in the samples at wavelength 532 nm prior to electron avalanche formation. The mechanism is found to be due to formation of color centers (F+ or F° centers) by the two-photon absorption process. The presence of these centers was directly shown by transmission measurements. The two-photon absorption (2PA) process was independently investigated and 2PA coefficients obtained. The accumulated effects of the induced centers on the nonlinear absorption measurements were also considered and the 2PA coefficients were measured using short pulses where this effect is negligible. At room temperature, the color centers slowly diffuse out of the irradiated region. The density of these centers was monitored as a function of time. The initial distribution of the centers was assumed to have a Gaussian profile. For this model the diffusion equation was solved exactly and the diffusion constant obtained.

Chaque faisceau d'un laser de puissance, tel que le Laser MégaJoule, est mis en forme et voit son énergie amplifiée à l’aide d’une centaine de composants optiques tels que des plaques de verre amplificateur, des lentilles, des miroirs, des lames de phase, des réseaux... 'Evidemment ces composants ne sont pas parfaitement réalisés et ils présentent à leurs surfaces des défauts de fabrication. Ces imperfections peuvent être dues aux outils de polissage des composants, aux dépôts antireflet ou même apparaitre au cours de la phase d’exploitation ou de remédiation du composant. Ces défauts contribuent à une baisse des performances du Laser MégaJoule que ce soit au niveau de l’énergie déposée au centre de la chambre d’expériences ou à l’endommagement accéléré des composants optiques placés en aval. Actuellement la norme ISO 10110-7 est utilisée pour spécifier les défauts d’aspect. Cependant elle manque de justification pour les besoins d’une chaine laser de puissance. Dans le cadre de la thèse nous nous intéressons exclusivement à l’endommagement fratricide local des composants optiques. Un défaut présent à la surface du composant module l’onde lumineuse par phénomène de diffraction. Un << point chaud >> peut apparaitre dans le faisceau laser augmentant alors la densité locale surfacique d’énergie appliquée aux composants suivants. La loi d’endommagement prédit une augmentation de la probabilité d’endommagement puisque la densité d’énergie est modifiée. Une première étude, fondée sur les équations de Fresnel, met en évidence les paramètres intéressants à spécifier pour prédire les intensifications engendrées par des défauts typiques. Le lien entre paramètres du défaut et intensifications diffractées est, ensuite, validité expérimentalement sur des cas réels de défauts. Une seconde étude établit un seuil exprimé en puissance en deçà duquel l'hypothèse d'une propagation linéaire, selon les équations de Fresnel, est valide. La cohérence des résultats donnés par le seuil en puissance et par la simulation numérique renforce l’idée voulant que la propagation d’un << point chaud >> en présence d'effet Kerr soit sensiblement différente de celle d’un faisceau gaussien. Fort de ces deux résultats nous sommes en capacité d'établir une spécification des défauts d’aspect en ayant une meilleure compréhension de l’endommagement fratricide local. / Each beam of a high power laser facility, such as the Laser MégaJoule, is shaped and amplified thanks to hundreds optical components such as amplifier slabs at Brewster’s angle, lenses, mirrors, phase plates, diffraction gratings... Of course, all these components cannot be perfect; there are some defects on their surface. These imperfections appear at each stage of the life of the component, during polishing, coating, or mitigation process or when the component is used on the facility. They have a huge impact on the energy losses delivered on the target and they decrease the resistance of downstream components to intense light. The ISO 10110-7 standard is currently used to specify the visual defects. However, this standard is poorly justified and do not fit a high power laser needs. In this thesis, we are focused on the fratricide effect. Light propagates through a defect, then, some intensity modulations appear along the propagation. The damage law states that high energy density leads to an increase of the damage probability. Firstly, we investigate the characteristic parameters of the defect morphology linked to the formation of downstream << hot spots >>. Then, the link between these typical parameters and the high intensifications are confirmed by experiments on real defects. Secondly, a power criterion is demonstrated to guarantee the linear propagation hypothesis. This criterion is compared to numerical simulations and it is shown how the nonlinear propagation, induced by Kerr effect, can be different between the << hot spot >> formed by a defect and a Gaussian beam. Finally, the results are used to improve the visual defect specification thanks to a better understanding of the fratricide effect.

Cette thèse porte sur l’amélioration de la résistance au flux laser de la surface descomposants optiques en silice en régime nanoseconde. Ce matériau est utilisé sur lesinstallations de laser de puissance telles que le Laser Mégajoule. Pour augmenter la durée de viedes composants optiques et garantir le fonctionnement nominal de cette installation,l’endommagement laser doit être maîtrisé. Il s’agit d’une dégradation irréversible de la surfacedes composants causée par l’interaction entre le faisceau laser et des défauts précurseurs. Cesderniers sont une conséquence de la synthèse de la silice puis du polissage des composants etleur présence peut être limitée par une action de traitement chimique réalisée à l’issue dupolissage qui consiste à éroder la surface de silice à l’aide d’une solution chimique. Cette érosionne doit cependant pas dégrader la qualité de la surface polie et ses propriétés optiques. Cettethèse se concentre sur la réalisation de cette étape de traitement chimique et se décompose entrois études. La première porte sur la caractérisation de la pollution induite en surface par lepolissage et sa suppression par le traitement chimique. La seconde et la troisième analysentl’impact des traitements chimiques respectivement sur les propriétés optiques de la surface etsur les rayures de polissage. Ces études nous permettent d’évaluer l’influence des différentsparamètres du traitement chimique, tels que la solution, le système de mise en oeuvre etl’épaisseur érodée, sur les performances apportées aux composants optiques. Finalement,l’ensemble de ces connaissances nous conduit à proposer un traitement chimique optimisé quiaméliore la tenue au flux des composants optiques sans dégrader leurs propriétés optiques. / In this thesis, laser-induced damage resistance improvement of fused silica opticsis investigated in the nanosecond regime. This material is used on high power laser facilitiessuch as the Laser Mégajoule. In order to improve the optics life time and to ensure the nominaloperation of this facility, laser induced damage has to be controlled. This phenomenon is anirreversible modification of the components surface because of the interaction between the laserbeam and precursors defects. These defects are a consequence of the synthesis of silica and thepolishing of the optics and their presence can be reduced by a wet etching. This process consistsin an erosion of the surface using a chemical solution however optical properties must remainunchanged. In this thesis, we focus on the wet etching process and we conduct three studies. Thefirst one is about the characterization of the polishing induced contamination and the capabilityof a wet etching to remove it from the surface. The second and the third analyzes are about theimpact of the wet etching respectively on the surface and on the scratches. These studies allowus to evaluate the influence of the wet etching parameters as the chemical solution, the systemused and the deep etched. Finally, the highlights obtained thanks to these studies enable tooptimize the wet etching process and improve the laser induced damage resistance ofcomponents without compromising their optical properties.

No description available.