Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L’utilisation des lasers de puissance dans le domaine industriel, médical, scientifique, ou de la défense, est toutefois souvent limitée par les endommagements causés aux composants optiques. Sous flux laser élevé, apparaissent des contraintes ou des déformations avec retour à la normale. Par contre, à une énergie ou une intensité plus fortes, d’autres effets, cette fois-ci irréversibles, sont constatés (fusion, vaporisation, craquelures, cratères…), ces effets pouvant conduire à la destruction du composant. Cet article explique les phénomènes en jeu, présente les méthodes de mesure de la tenue au flux laser et l’influence des paramètres laser (tant physiques qu’opérationnels) sur cet endommagement.
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The use of high power lasers in the industrial, scientific, medical, or defense sector is often hampered by damage on optical components. Under high laser flux, stress or deformations appear and revert back to normal. However, under higher energy or intensity energy or intensity, other effects are observed (melting, vaporization, cracks, craters, etc.) which are this time irreversible and can lead to the destruction of the component. This article explains the phenomena involved, presents methods for measuring resistance to the laser flux and the influence of laser parameters (physical and operational) on this damage.
Auteur(s)
-
Laurent GALLAIS : Ingénieur de l'École nationale supérieure de physique de Marseille, docteur 3 cycle - Maître de conférences à l'École centrale Marseille – Institut Fresnel
INTRODUCTION
Les lasers de puissance sont utilisés dans un grand nombre d'applications, que ce soit dans le domaine industriel, scientifique, médical ou de la défense. Un des verrous technologiques à l'essor des sources lasers à haute puissance ou haute énergie est l’endommagement sous irradiation des composants optiques. En effet, lorsqu'un fort flux laser traverse un composant optique ou est réfléchi sur un miroir, des effets réversibles peuvent être observés comme des effets non linéaires ou des échauffements qui peuvent provoquer des contraintes, des déformations. Si l'on augmente la quantité de lumière (soit en augmentant l'intensité, soit en confinant le faisceau), il peut se produire alors des effets irréversibles : fusion, vaporisation, craquelures, brisures, éclats, cratères, décollements... altérant la fonction optique du composant, voire le rendant inutilisable. Ces modifications permanentes du matériau sont définies comme des « endommagements laser ». Ce phénomène a par conséquent l'inconvénient d'affecter la durée de vie des composants optiques ainsi que le coût de maintenance des chaînes laser. Il peut également être à l'origine de graves problèmes de sécurité. La connaissance des phénomènes physiques mis en jeu en fonction des paramètres laser et la mesure de ces effets est donc d'une importance majeure pour la conception d'un système laser et son utilisation dans des conditions optimales de fiabilité, de sécurité et de rentabilité.
La problématique de la tenue au flux est étudiée depuis l'invention du laser et il existe une base de données impressionnante sur le sujet . Nous proposons dans cet article une approche synthétique de cette thématique, forcément limitée, mais qui permettra à l'ingénieur ou au chercheur confronté au problème de se familiariser avec les notions liées au domaine, les phénomènes physiques mis en jeu et la façon dont ces effets peuvent être quantifiés et les mesures rapportées à son application.
Nous expliciterons dans un premier temps les différents mécanismes physiques pouvant aboutir à la destruction d'un composant optique soumis à un flux laser, étape nécessaire à la compréhension et à l'interprétation des mesures. Puis nous décrirons les méthodes de mesure de la tenue au flux laser et discuterons de leur interprétation et de l'influence des paramètres laser sur l'endommagement. Enfin nous présenterons rapidement les matériaux et procédés de fabrication spécifiques aux composants résistant au flux laser.
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Métrologie de la tenue au flux laser
En anglais
2. Origine de l'endommagement laser
L’endommagement laser résulte du couplage et du transfert de l’énergie laser dans le matériau. On peut distinguer, de façon schématique, deux grands types de mécanismes :
-
les effets électromagnétiques, lorsque le champ électrique est suffisamment intense pour ioniser le matériau et induire des effets d’avalanche électronique ;
-
les effets thermiques, du fait de l’absorption de l’énergie laser par le matériau ou par des défauts dans le matériau.
2.1 Effets électromagnétiques
Dans un matériau diélectrique ou semiconducteur irradié par un laser, si le champ électrique est suffisamment intense, il peut ioniser des atomes par différents mécanismes (figure 4). Des porteurs libres sont alors générés. Sous l'effet du champ électrique ils sont accélérés et peuvent ioniser d'autres atomes par collision qui vont générer d'autres porteurs libres... Cet effet d'avalanche électronique peut conduire à un claquage diélectrique du matériau.
Ce type de mécanisme se rencontre principalement dans le cas de très courtes durées d'impulsions (régime femtoseconde à picoseconde), où des processus d'ionisation multiphotoniques peuvent générer des porteurs libres. Le seuil d'endommagement observé correspond alors à une valeur limite dépendant des propriétés intrinsèques du matériau (largeur de bande). L'endommagement se produit sur le composant dans les zones où l'intensité est suffisante pour provoquer l'ionisation du matériau. Cette caractéristique déterministe du seuil d'endommagement en régime femtoseconde est d'ailleurs mise à profit dans de nombreuses applications où l'on enlève ou modifie la matière avec une précision submicronique : micro-usinage, chirurgie ophtalmique, stockage de données...
Dans le cas de durées d'impulsions plus longues, les processus multiphotoniques sont moins importants et l'endommagement ne peut se produire que si des porteurs libres sont déjà présents dans le matériau. L'endommagement s'initie alors sur des défauts...
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Origine de l'endommagement laser
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - * - Recueils de la conférence annuelle « Boulder Laser Damage Symposium » : SPIE (1968-2008).
-
(2) - LAMAIGNERE (L.), BOUILLET (S.), COURCHINOUX (R.), DONVAL (T.), JOSSE (M.), PONCETTA (J.C.), BERCEGOL (H.) - An accurate, repeatable, and well characterized measurement of laser damage density of optical materials - Review of Scientific Instruments, vol. 78, p. 103-105 (2007).
-
(3) - STUART (B.C.), FEIT (M.D.), RUBENCHIK (A.M.), SHORE (B.W.), PERRY (M.D.) - Laser-induced damage in dielectrics with nanosecond to subpicosecond pulses - Physical Review Letters, vol. 74, p. 2248 (1995).
-
(4) - BLOEMBERGEN (N.) - Role of cracks, pores, and absorbing inclusions on laser induced damage threshold at surface of transparent dielectrics - Applied Optics, vol. 12, p. 661-664 (1973).
-
(5) - WOOD (R.M.) - Laser-induced damage of optical materials - Institute of Physics Publishing (2003).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Determination of laser induced threshold on optical surfaces – part 1 : 1-on-1. - ISO 11254-1 - 2000
-
Determination of laser induced threshold on optical surfaces – part 2 : S-on-1. - ISO 11254-2 - 2000
ANNEXES
C. R. Wolfe, M. R. Kozlowski, J. H. Campbell, M. Staggs et F. Rainer, « Permanent laser conditioning of thin film optical materials », U.S. Patent, n° 5472748, 1990.
P. Bouchut, J.G. Coutard, A. During, « Procédé et dispositif de traitement préventif d'une surface optique exposée à un flux laser », Brevet n° FR2896794, 2007.
P. Cormont, L. Gallais et J.-L. Rullier, « Procédé de traitement correctif d'un défaut sur la surface d'un composant optique pour laser de puissance », Brevet n° 0956443. France, 18 sept. 2009.
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