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This thesis relates a technique for increasing the optical strength of NaCl and KCl single-crystal samples. The 1.06-μm pulsed laser damage thresholds were increased by factors as large as 4.6 for a bulk NaCl single-crystal sample. The bulk laser damage breakdown threshold (LDBT) of the crystal was measured prior to and after heat treatment at 800*C using a Nd:YAG laser operating at 1.06 μm. Bulk and surface LDBTs were also studied on samples annealed at 400° C. These samples showed differences in damage morphology on both cleaved and polished surfaces, and the cleaved surfaces had improved damage thresholds. However, neither the polished surfaces nor the bulk showed improved threshold at the lower annealing temperature.

Avec l'apparition de nouveaux systèmes laser ultra-courts, des intensités laser extrêmement élevées sont devenues accessibles, permettant ainsi un traitement au laser de pratiquement tous les matériaux. En conséquence, les techniques de traitement extrêmement précises sont en cours de développement étendant considérablement le nombre des applications industrielles et médicales correspondantes. Des progrès dans ce domaine nécessitent une meilleure compréhension des processus fondamentaux impliqués dans les interactions laser. De plus le succès à l’international du développement et de l’utilisation de systèmes laser de forte puissance, dépend de la capacité de la définition minutieuse du seuil d’endommagement de leurs composants optiques. Ces points illustrent l'importance d'une modélisation numérique détaillée des interactions de laser avec des matériaux diélectriques. Sous irradiation laser, des électrons germes apparaissent dans la bande de conduction des matériaux diélectriques en raison de processus de photo-ionisation. En collision avec un troisième corps, ces électrons sont encore chauffés dans le domaine du laser. Lorsque l'énergie des électrons de seuil est atteinte, l'ionisation par impact d'électrons commence. Dans le même temps, les impulsions laser considérées sont si courtes que le sous-système électronique n'a pas le temps d'atteindre un état d'équilibre. Les propriétés optiques résultant sont affectées et la définition du critère de dommages devrait être révisée. Cela représente l'approche proposée pour le non-équilibre et fournit une description détaillée de tous les processus impliqués. En particulier, on considère le processus et l’impact de photo- ionisation, ainsi que électron-électron, électron-phonon et les collisions électron-ion. La distribution d'énergie des électrons et le chauffage de sous-systèmes électroniques et phonons est discutée. Le rôle des paramètres du laser (longueur d'onde, durée d'impulsion, fluence) et les propriétés des matériaux (de l'écart de l'énergie, de la structure de bande) sont étudiées. Le temps de thermalisation est calculé et caractérise l'état de non-équilibre en fonction de la durée d'impulsion du laser. Un nouveau critère thermique est proposé pour la définition des dommages sur la base des énergies d'électrons et phonons. Les seuils d’endommagement calculés sont comparés aux résultats expérimentaux récents. Une analyse d'autres critères (claquage optique classique et thermique) est également effectuée / With the appearance of new ultra-short laser systems, extremely high laser intensities became accessible thus allowing laser treatment of practically all materials. As a result, extremely precise processing techniques are under development considerably extending the number of the corresponding industrial and medical applications. Further progress in this field requires a better understanding of fundamental processes involved in the laser interactions. In addition, the success of several national and international involving the development and use of high power laser systems depends on the capacity of careful definition of damage threshold of their optical components. These points illustrate the importance of a detailed numerical modeling of laser interactions with dielectric materials. Under laser irradiation, seed electrons appear in the conduction band of dielectric materials due to photo-ionization process. Colliding with a third-body, these electrons are further heated in laser field. When the threshold electron energy is reached, electron-impact ionization begins. At the same time, the considered laser pulses are so short that electron sub-system has no time to reach an equilibrium state. The resulting optical properties are affected and the definition of the damage criterion should be revised. The proposed approach accounts for the non-equilibrium and provides a detailed description of all the involved processes. In particular, we consider the photo- and impact-ionization processes, as well as electron-electron, electron-phonon and electron-ion collisions. The electron energy distribution and heating of electronic and phonon subsystems is discussed. The role of laser parameters (wavelength, pulse duration, fluence) and material properties (energy gap, band structure) is investigated. The thermalization time is calculated and characterizes the non-equilibrium state as a function of laser pulse duration. A novel thermal criterion is proposed for damage definition based on the electron and phonon energies. The calculated damage thresholds are compared with recent experimental findings. An analysis of other criteria (classical optical breakdown and thermal) is also performed

L’amplification par dérive de fréquence démontrer en 1985 a permis la création d’installations laser en impulsions courtes tels que Petal (Petawatt Aquitaine Laser). La montée en puissance de ces lasers est limitée par la résistance au flux laser des composants placés après la compression. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la résistance au flux laser de ces composants qui sont des miroirs qui consiste en un empilement multicouches. Trois approches sont envisagées le changement de designs des empilements couches minces (nombre de couche, épaisseurs), de matériaux et/ou de procédés de fabrication. Une étude numérique a permis d’envisager théoriquement le changement de matériaux et/ou de design et de quantifier les améliorations possibles. Cette étude a mené au développement d’un algorithme d’optimisation des designs qui nécessite la caractérisation préalable des matériaux. Par conséquent, une variété de matériaux déposés en monocouches a été testée au flux laser et caractérisé optiquement pour évaluer l’adéquation matériaux et technique de dépôt. Les résultats obtenus montrent une forte dispersion qui ne peut être expliqué par des lois préalablement établi dans la littérature. Cependant, une bonne corrélation entre le seuil de tenue au flux laser intrinsèque dans l’infrarouge et l’absorption dans l’ultraviolet a été observé ce qui confirme l’influence de l’absorption multi-photonique sur l’endommagement laser en impulsions courtes. Pour finir, l’ensemble de ces résultats expérimentaux et de l’algorithme d’optimisation ont permis la fabrication d’échantillons de miroirs qui montrent une amélioration du seuil de tenue au flux laser de 73% par rapport à des miroirs quart d’onde classiques. / The chirped pulse amplification demonstrated in 1985 allowed the development of petawatt class laser such as Petal (Petawatt Aquitaine Laser). The increase of power of those facilities is limited by the resistance to laser-induced damage of the optical components placed after the compression stage. The aim of this thesis is to improve the laser-induced damage threshold of those components which are multilayer dielectric mirrors. Three paths of improvement are considered the change of design (number of layer, thicknesses), of materials and/or deposition process. A numerical study allows evaluating the potential improvement brought by two of those paths. This led to the development of a design optimization algorithm that required the prior characterization materials. Consequently, various materials deposited as single layers were laser damage tested and optically characterized to evaluate the adequacy of the materials with the deposition process. The results show a wide discrepancy that cannot be explained by the laws exposed in the literature. However, a good correlation was found between the intrinsic laser-induced damage thresholds in the infrared with the absorption in the ultraviolet confirming the influence of the multiphoton absorption in the laser-induced damage mechanisms. Finally, those experimental results combined with the optimization algorithm allowed the development of mirror samples that exhibit laser-induced damage threshold 73% higher than one of classical mirrors.

Laser induced damage is of interest in studying the transmission of large amounts of optical energy through step-index, large core multimode fibers. Optical fibers often have to be routed around objects when laser light is being transmitted between two locations which require the fiber to bend into a curve. Depending on how tight the bend is, this can result in transmission losses or even catastrophic damage when the energy density of the laser pulse exceeds the damage threshold of silica glass. The purpose of this study is to: Establish a minimum bend radius that would allow high energy (GW/cm2 ) to be transmitted through multimode fiber. Evaluate unique fiber routing configurations including loops, 180 bends, and S-bends. Develop optical modeling simulations backed with experimental data that can serve to predict critical areas for future systems. Waveguide theory predicts that light traveling through a bend will form whispering-gallery modes that propagate through total internal reflection bounces along the inside of the outer edge of the bend. This is critical since in these locations the energy density of the light will increase significantly, raising the potential of laser damage, nonlinear effects, and transmission losses. This loss is especially problematic when two 90° bends going in opposite directions are in close proximity to each other, forming an ‘S-bend’. Light that is grouped along the outer edge going through the first bend will enter the second bend at a sharper angle which causes much high transmission losses and raises the possibility of failure. iv Models using R-Soft BeamProp and Zemax were developed to study transmission losses, investigate light interactions at critical areas, and predict under which conditions laser damage would occur. BeamProp presents a clearer view of the modal distribution of light within the core of the fiber and is used to analyze how a plane wave with a Gaussian intensity distribution excites the fiber modes. Zemax provides a tool to perform non-sequential ray tracing through the fiber cable and stray light analysis within the core and once the light exits the fiber. Intensity distributions of the cross sectional area of the fiber shows the whispering gallery modes forming as the light propagates around bends and disburses as it propagates afterwards. It was discovered using R-Soft that if the separation distance between bends in an S-bend is approximately 3 mm there exists a condition where maximum transmission occurs. For 365 µm diameter core fiber it was calculated that the difference in output power could be as high as 150%. This was initially completely unexpected; however ray tracing using Zemax was able to verify that this distance allows the light to transition so that it enters the 2nd bend at the optimal angle to enter the whispering gallery mode. Experiments were performed that validated the models’ predictions and images were captured clearly showing the spatial distribution shift of the light within the core of the fiber. Experiments were performed to verify light grouping together to form whispering gallery modes as predicted by Zemax. Microscope images were taken as a function of distance from various bends to observe the periodic nature in which the laser light fills up the fiber. Additionally, a configuration was setup to examine stimulated Brillioun scattering and determine the onset of laser damage in the fiber. Fibers were tested as a function of bend radius and number of shots v and recommendations for future systems were made. Lastly, mechanical failure tests were performed to determine the relationship between stress placed on the fiber through bending and fiber lifetime in a static environment. This allowed a minimum safe bend radius to be calculated for a 30 year lifetime that agreed with previous calculated values.

L’endommagement laser est le résultat d’une interaction laser-matière qui se traduit par une dégradation physique des optiques, entraînant une détérioration de leur fonction optique. C'est un des facteurs limitant le développement des lasers de puissance et de leurs applications. Dans les matériaux diélectriques et en régime femtoseconde, ce phénomène repose sur des processus non linéaires et dépend des propriétés intrinsèques du matériau, contrairement au régime nanoseconde. Un banc d'endommagement laser femtoseconde a été développé et appliqué à l'étude du comportement des couches minces diélectriques. Le caractère déterministe de l'endommagement femtoseconde a été confirmé sur les substrats et les couches minces. Nous montrons de plus que les couches minces sont le siège d’effets transitoires, capables d’affecter le seuil d’endommagement, lorsque la densité d’électrons libres atteint une valeur critique. Un modèle dynamique a été développé afin de prendre en compte ces effets. Son efficacité à prédire l’évolution du seuil d’endommagement en fonction de la durée de l’impulsion a été démontrée expérimentalement. Les tests d’endommagement menés sur des monocouches HfO2 montrent une dépendance du seuil d’endommagement avec la technique de dépôt. Par ailleurs le comportement linéaire du seuil d’endommagement en fonction de la largeur de bande interdite a été confirmé pour les oxydes purs. Enfin nous présentons la première étude exhaustive sur la tenue au flux de mixtures d'oxydes, menée en collaboration avec le centre laser de l’Université de Vilnius, Lituanie et le Laser Zentrum Hannover LZH, Allemagne. / The laser damage is the result of a laser-matter interaction leading to the physical degradation of the optics, causing a deterioration of their optical function. This is one factor limiting the development of high power lasers and their applications. In dielectric materials and sub-picosecond regime, this phenomenon is based on non-linear processes and depends on the intrinsic properties of the material, as opposed to the nanosecond regime. A bench dedicated to the measurement of laser damage threshold has been developed and applied to study the behavior of optical dielectric thin films at 1030nm. The deterministic nature of sub-picosecond damage was evidenced on the substrates and thin films. A predictive model based on photo-ionisation and avalanche effects was developed for interpretation of the measurements. This model is specific to the case of multilayer optical effects since interference effects and transient response of the films are taken into account. Its effectiveness in predicting the evolution of the damage threshold as a function of pulse duration on HfO2 films. Moreover, the linear behavior of the damage threshold with the band gap has been experimentally observed for oxide materials and described by the model. Finally we present the first exhaustive study on the optical resistance of oxides mixtures, conducted in collaboration with the University of Vilnius, Lithuania, and the Laser Zentrum Hannover LZH, Germany.

Les travaux portent sur l’endommagement laser en régime nanoseconde aux longueurs d’onde 355 nm et 266 nm. L'objectif de cette étude est de comprendre et d'analyser les processus mis en jeu lors de l'endommagement laser en surface et en volume de matériaux optiques, massifs ou en couches minces, lors de tirs répétés. Dans ce contexte, un banc d'endommagement laser a été entièrement mis en place et automatisé. Il permet d'analyser la résistance et le vieillissement de ces composants sous irradiation UV à des fréquences de tir de 50Hz, pour un grand nombre de tirs et de relever de façon systématique les paramètres du test les plus importants (profiles spatiaux et énergies des impulsions, images du site avant et après dommage). Pour une meilleure compréhension des phénomènes physiques conduisant à la fatigue des matériaux en tirs laser répétés, un modèle a été développé afin de discriminer les effets statistiques (dus au grand nombre de tirs impliqués) de modifications du matériau sous flux UV. Ce modèle a été validé expérimentalement dans le cas de la silice synthétique étudiée en volume. En ce qui concerne les couches minces, une étude multi-paramètres de la tenue au flux UV de mixtures d'oxydes a été menée, en partenariat avec le Laser Zentrum Hannover (LZH, Allemagne). Ces matériaux ont en effet un comportement complexe et encore mal connu, en particulier en tirs répétés. Enfin, une partie du travail de thèse est consacrée à la caractérisation non-destructive de cristaux de KDP par photoluminescence pompée dans l'UV, réalisée dans le contexte du laser MégaJoule en collaboration avec le CEA Le Ripault (Monts). / The work is devoted to laser-induced damage in the nanosecond regime at the wavelengths of 266 nm and 355 nm. The goal of this study is to understand and to analyze the processes taking place during multi-pulse irradiation causing laser-damage, on the surface and in the bulk of massive or thin-films optical materials. To this end, a laser-damage experiment was entirely set up and automated. It allows analyzing the laser-damage resistance and the ageing of these components under UV irradiation at a pulse repetition rate of 50 Hz and for a high number of laser pulses and to record systematically the most important test parameters (spatial beam profiles, energies, images of the site before and after irradiation).To better understand the physical phenomena leading to fatigue effects in the materials under multiple pulse irradiation, a model was developed allowing the discrimination of statistical effects (due to the high number of shots) from material modifications under UV irradiation. This model was confirmed by testing synthetic fused silica irradiated in the bulk. Concerning thin-film coated components, oxide mixtures were studied in collaboration with the Laser Zentrum Hannover (LZH, Germany) using a multi-parameter approach. These materials show indeed a complex behavior and remain poorly known, in particular under multi-pulse irradiation. Finally, a part of the work is dedicated to the non-destructive characterization of KDP crystals by UV-pumped photoluminescence, realized in the framework of the MegaJoule project, in collaboration with CEA Le Ripault (Monts, France).

La fatigue du seuil d’endommagement laser dans la silice fondue a été largement étudiée au cours des dernières années, car ce phénomène est directement lié à la durée de vie des matériaux optiques utilisés dans des applications laser, le plus souvent à forte puissance. En effet, dans l’UV, on observe une décroissance du seuil d’endommagement laser quand le nombre de tirs laser augmente. Ce phénomène a été attribué pour ce couple longueur d’onde-matériau à des modifications laser-induites dans le matériau. Sous irradiation laser multiple à 266 nm, en utilisant des impulsions nanosecondes de densité d’énergie constante, nous avons observé que le signal de photoluminescence est modifié jusqu’à l’endommagement. A partir de cela, nous proposons une nouvelle représentation des données expérimentales qui permet de prédire l’apparition d’un endommagement dans le matériau. Cette prédiction réalisée à partir du signal de fluorescence et non de la statistique d’endommagement utilisée jusque-là, permet une économie significative de surface de composant et du temps d’expérience. Afin d’étendre l’intérêt de l’étude à un plus grand nombre d’applications, une extension des résultats à la longueur d’onde de 355 nm est proposée. Nous proposons un modèle où l’endommagement dans la silice fondue sous irradiation multiple à 266 nm est causé par une accumulation de modifications laser-induites induisant de l’autofocalisation non-linéaire. Afin d’essayer de généraliser la méthode de diagnostic de la fatigue par fluorescence, nous avons aussi réalisé des tests préliminaires sur des cristaux optiques non-linéaires bien connus comme le LBO ou le KDP. / Fatigue effects in fused silica have been largely studied in the past years, as this phenomenon is directly linked to the lifetime of high power photonic materials. Indeed, in the UV regime, we observe a decrease of the LIDT (Laser-Induced Damage Threshold) when the number of laser shots increases and this has been attributed for this couple wavelength/material to laser-induced material modifications. Under 266 nm laser irradiation, with nanosecond pulses of constant fluence, we observed that the photoluminescence is modified until damage occurs. Based on this observation, we propose a new representation of the experimental S-on-1 breakdown data which allows predicting the occurrence of material breakdown. This prediction, based on fluorescence signal and not damage statistics (presently widely used) allows consuming fewer sample surface and saving time. To extend the interest of the study to many more applications, we propose an extension of the results at 355 nm. We suppose that damage is caused in our fused silica samples by accumulation of laser-induced modifications under multiple-pulse UV irradiation inducing catastrophic non-linear self-focusing. In order to try to extend the fatigue diagnostic method by fluorescence, we have also realized preliminary tests in well-known non-linear crystals like LBO and KDP.

Cette thèse s'intéresse aux mécanismes initiateurs de l'endommagement laser du KDP et du DKDP en régime nanoseconde. C'est un matériau non linéaire utilisé notamment dans les cristaux de conversion de fréquence du Laser MégaJoule, en cours de construction sur le centre du CEA-Cesta, en France. La tenue au flux de ces cristaux est une des clés de la réussite de cette installation et demeure actuellement une problématique à résoudre. C'est pourquoi, cette thèse propose différentes études permettant de répondre en partie à deux volets essentiels de l'endommagement laser du KDP en régime nanoseconde : les défauts précurseurs et les mécanismes initiateurs de l'endommagement. Tout d'abord, nous proposons une étude en longueur d'onde des dommages créés suite à un tir laser. Cette étude est basée à la fois sur l'observation de clichés de dommages obtenus en microscopie DIC ainsi que sur la comparaison à un code de calcul couplant dépôt d'énergie et hydrodynamique. Par la suite, nous étudions l'influence de la géométrie des défauts précurseurs par le biais d'une étude de l'effet de la polarisation du faisceau laser sur la tenue au flux d'un cristal de KDP. A l'aide d'un code interne au CEA, cette étude permet notamment d'introduire une nouvelle géométrie des défauts, de type ellipsoïdale et respectant les propriétés de la structure cristalline d'un tel cristal. Enfin, nous abordons plus largement les mécanismes d'initiation de l'endommagement à partir d'expériences pompe--pompe. Ces tests mettent en jeu le mélange de deux longueurs d'onde différentes -- impactant l'échantillon de manière concomitante ou désynchronisée l'une par rapport à l'autre -- et son influence sur la tenue au flux du KDP. Il est notamment montré qu'il peut y avoir un couplage entre les longueurs d'onde, donc par extension entre les mécanismes, en fonction de la combinaison des fluences qui sont employées. Au final, l'intérêt de ces études est d'acquérir de nouvelles données permettant d'améliorer la compréhension des mécanismes de l'endommagement du KDP en régime nanoseconde. A terme, elles permettront également de développer des modèles de prédiction de l'endommagement des cristaux de KDP et de DKDP montés sur les chaînes laser. / This thesis interests in the laser-induced damage mechanisms of KDP and DKDP crystals in the nanosecond regime. KDP is a non-linear material particularly used in the frequency converters of the Laser MegaJoule, which is under construction at the CEA-Cesta in France. For this facility, the KDP laser damage resistance is one of the keystones and is still under investigations to fix this problem. This is why this manuscript presents different studies which highlight the two main aspects of the nanosecond laser-induced damage of KDP frequency converters : the precursor defects and the mechanims to initiate damage. First, we propose a study based on the analysis of several photos obtained by DIC microscopy of damage initiated by different wavelengths. A comparison with a code coupling the energy deposition and hydrodynamic is also done. Then, we interest in the influence of the defects geometry through a study based on the laser polarization effet on the laser damage resistance. By the comparison with a CEA home-made code, this study particularly underlines the possibility to define a new geometry for the precursor defects. This geometry proposed has the shape of an ellipsoid and is supposed to keep the crystal structure properties. Finally, we enlarge on the physical mechanisms initiating laser damage with pump--pump experiments. These tests consist in combinating two radiations of different wavelengths which imping the crystal simultaneously or are delayed one by the other. We then observe the influence of this wavelengths mixing on the KDP laser damage resistance. In particular, a coupling effet between the wavelengths of the mixture may occur as a function of the fluences combination. Finally, the goal of these specific studies is to accumulate new data in order to improve the undertanding in the intiation of the laser damage in KDP and DKDP crystals in the nanosecond regime. In the end, these data will allow us to develop predictive models to simulate the laser damage of KDP and DKDP crystals on the LMJ laser chains.