Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
La montée en puissance et la durée de vie des systèmes lasers sont souvent limitées par l’endommagement laser causé aux composants optiques : sous flux laser élevé, des modifications irréversibles peuvent apparaître, induisant une perte des performances optiques, voire une destruction du composant. Cette problématique, étudiée depuis l’invention du laser, suit étroitement les évolutions technologiques du domaine.
Cet article présente les principaux mécanismes physiques pouvant conduire à la dégradation d’une optique soumise à un flux laser, en s’intéressant à l’influence des paramètres laser et à la conception et la fabrication des composants sur l’endommagement. Il décrit les méthodes de mesure de la tenue au flux laser pour évaluer les limites opérationnelles dans le cadre d’une application donnée.
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Laurent GALLAIS : Professeur d’université à l’École Centrale Méditerranée – Ingénieur de l’École Nationale Supérieure de Physique de Marseille – Docteur de l’université Aix-Marseille - Institut Fresnel, UMR Aix Marseille Univ, CNRS, Centrale Med (Marseille, France) - Cet article est la réédition actualisée de l’article r6738 intitulé « Métrologie de l’endommagement laser » paru en 2010, rédigé par Laurent GALLAIS
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 laser à haute puissance ou haute énergie est l’endommagement des composants optiques sous l’effet du rayonnement laser. En effet, lorsqu’un composant optique est sollicité par un flux laser intense, des phénomènes réversibles peuvent être observés comme des effets non linéaires ou des échauffements qui peuvent provoquer des contraintes, des déformations, pouvant altérer la fonction optique lors de l’utilisation. Augmenter la densité de flux peut conduire à des effets irréversibles : fusion, vaporisation, fracturation, cratères, décollements, contamination de surface… altérant définitivement la fonction optique du composant, voire le rendant inutilisable. Ces modifications permanentes du matériau correspondent à ce que l’on peut définir comme un « endommagement laser ».
Ce phénomène limite donc la montée en puissance des sources laser, peut affecter la durée de vie des composants optiques, et par conséquent le coût de maintenance des systèmes laser. Il peut également être à l’origine de graves problèmes de sécurité dans une installation laser. 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.
La problématique de la tenue au flux est étudiée depuis l’invention du laser et il existe une base de données importante 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 brièvement les matériaux et procédés de fabrication spécifiques aux composants à haute tenue au flux laser.
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- Version archivée 1 de juin 2010 par Laurent GALLAIS
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Conclusion5. Composants optiques adaptés aux forts flux laser
Les composants optiques pour les lasers de puissance doivent être fabriqués à partir de matériaux qui peuvent résister à des niveaux élevés de puissance laser sans se détériorer, absorber excessivement le rayonnement laser ou induire des modifications de propriétés optiques. Ces matériaux sont choisis en fonction des exigences spécifiques de l’application laser, notamment la longueur d’onde du laser, la puissance de sortie, le mode de fonctionnement (continu, impulsionnel) et l’environnement opérationnel.
5.1 Matériaux massifs
Les matériaux transparents utilisés pour les applications de haute puissance doivent présenter une absorption la plus faible possible à la longueur d’onde d’intérêt, et très peu d’impuretés. Il existe un grand nombre de données dans la littérature, mais comme nous l’avons vu, il peut être, d’une part, difficile de comparer les résultats obtenus par différents laboratoires et, d’autre part, les procédés de fabrication ont une importance majeure sur la tenue au flux. Nous ne donnerons donc pas de valeurs absolues de seuils, mais nous signalons les matériaux connus pour leur résistance au flux laser.
La silice (SiO2) de type synthétique (Quartz fused silica ou silice fondue) est un matériau de prédilection car il présente une très bonne tenue au flux de l’utraviolet au proche infrarouge (200 nm à 2 µm). C’est ainsi le matériau de référence pour les applications laser autour de 1 µm. Pour les domaines UV et UV profond, les matériaux tels que MgF2 et CaF2 présentent également de bonnes résistances au flux laser.
Pour les applications infrarouges, autour de 10 µm (laser CO2), le ZnSe est le matériau le plus couramment utilisé pour les lasers de puissance, du fait de son faible coefficient d’absorption (typiquement inférieur à 0,0005 cm–1) comparé aux autres matériaux (Ge, Si, ZnS, etc.).
Pour des bandes intermédiaires, comme l’infrarouge entre 2 et 5 µm, les matériaux tels que le saphir (Al2O3) et les fluorures (CaF2, BaF2, MgF2), présentent les meilleures tenues au flux ...
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Composants optiques adaptés aux forts flux laser
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SPIE - Recueils de la conférence annuelle « Laser Damage », - organisée actuellement par SPIE (2024).
-
(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. - Dans Review of Scientific Instruments, vol. 78, pp. 103-105 (2007).
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(3) - STUART (B.C.), FEIT (M.D.), RUBENCHIK (A.M.), SHORE (B.W.), PERRY (M.D.) - Laser-induced damage in dielectrics with nanosecond to subpico-second pulses. - Dans Physical Review Letters, vol. 74, pp. 2248-2251 (1995). PDF disponible en ligne https://www.researchgate.net/publication/13232334_Laser-Induced_Damage_in_Dielectrics_With_Nanosecond_to_Subpicosecond_Pulses
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(4) - BLOEMBERGEN (N.) - Role of cracks, pores, and absorbing inclusions on laser induced damage threshold at surface of transparent dielectrics. - Dans Applied Optics, vol. 12, pp. 661-664 (1973). PDF disponible en ligne https://opg.optica.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-12-4-661
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(5) - BLOEMBERGEN...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Lasers et équipements associés aux lasers – Méthodes d’essai du seuil d’endommagement provoqué par laser – Partie 1 : définitions et principes de base. - NF EN ISO 21254-1 - Septembre 2011
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