Bibliographie & annexes
Présentation
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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VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 2010 par Laurent GALLAIS
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Présentation
Influence des paramètres d’irradiation sur la tenue au flux laser, lois d’échelle3. Métrologie de la tenue au flux laser
La mesure de la tenue au flux est un problème délicat. En effet, pour étudier les phénomènes physiques ou pour qualifier des composants, les laboratoires ou industriels peuvent avoir leur propre définition de l’endommagement laser (qui dépend par exemple de la façon dont il est détecté ou de l’application visée) et des conditions de test particulières (taille de faisceau, durée d’impulsion, etc.). De plus les seuils d’endommagement ne sont pas propres à un matériau, et dépendent fortement de ses conditions de fabrication, stockage, nettoyage… Ainsi, l’intercomparaison des résultats est souvent complexe, voire impossible, et peut être source de confusion.
Pour pouvoir caractériser un composant, une mesure statistique est généralement nécessaire, du fait de l’inhomogénéité des matériaux. Le principe général des mesures de la tenue au flux laser des composants optiques consiste à exposer le composant à différents niveaux d’énergie ou de puissance, puis à détecter dans chaque zone de tir s’il y a présence ou non d’endommagement. On peut ensuite tracer la probabilité d’endommagement, ou la densité de dommages sur l’optique en fonction de la densité d’énergie ou de puissance. Pour effectuer ces tests, différentes procédures existent, dont les principes et modalités sont définis par la famille de normes ISO 21254. Deux types principaux de tests de tenue au flux peuvent être distingués : la tenue à un tir laser et la tenue à une série de tirs laser, puisqu’une des spécificités du problème est l’évolution lors d’expositions répétées.
Nous allons décrire dans ce chapitre les différents modes opératoires les plus courants.
3.1 Dispositif de mesure de tenue au flux laser
Le principe d’un banc de mesure de tenue au flux laser peut être représenté tel que sur la figure 10.
Le faisceau laser, dont le niveau d’énergie ou de puissance peut être contrôlé en interne ou en externe par un atténuateur (lame demi-onde et polariseur par exemple), est focalisé sur l’échantillon à tester. Différentes zones de l’échantillon sont alors exposées au laser, suivant des procédures que nous allons décrire. Pour la détection des dommages, les techniques les plus couramment...
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Métrologie de la tenue au flux laser
BIBLIOGRAPHIE
-
(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).
-
(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
-
(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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