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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Origine de l'endommagement laser
En anglais
1. Généralités : définitions et notions liées au domaine
1.1 Endommagement laser
L’endommagement laser est le résultat d’une interaction laser-matière qui se traduit par une dégradation matérielle des optiques, entraînant une détérioration de leur(s) fonction(s) optique(s). On définit généralement par « endommagement laser » toute modification irréversible du composant induite de façon non intentionnelle (figure 1).
Les mécanismes et les valeurs énergétiques pouvant conduire à ces effets sont intimement liés aux paramètres d'irradiation.
HAUT DE PAGE1.2 Paramètres d'irradiation laser
Les paramètres principaux à prendre compte pour connaître les effets potentiels d'une irradiation laser sur un composant optique sont la longueur d'onde, la durée d'irradiation, la taille du faisceau et les caractéristiques énergétiques du faisceau. Dans le cas d'un laser continu cette dernière caractéristique est la puissance moyenne. Dans le cas d'un laser impulsionnel ou à blocage de modes, plusieurs paramètres doivent être pris en compte. Nous avons représenté de façon schématique sur la figure 2 les caractéristiques d'un tel laser.
Exemple
Un laser Nd:YAG doublé (532 nm) émet des impulsions de 10 ns à 10 Hz avec une puissance moyenne de 1 W.
L'énergie par impulsion est alors : Ei = PM/F = 1 W / 10 Hz = 100 mJ.
La puissance crête est PC = Ei/τ = 10−1 J / 10−8 s = 10 MW.
Suivant les valeurs de ces paramètres, la grandeur critique concernant l'endommagement pourra être la puissance crête, l'énergie par impulsion ou la puissance moyenne.
La durée d'irradiation, le nombre de tirs cumulés et la fréquence rentrent également en jeu bien souvent, puisque des effets de fatigue des matériaux peuvent se produire, comme nous le verrons dans la partie 2...
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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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