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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Influence des paramètres d'irradiation sur la tenue au flux laser, lois d'échelle
En anglais
3. 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 ont souvent 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...). 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 est source de confusion et de nombreux désaccords dans la littérature.
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 irradier le matériau 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 principales sont définies par des normes 11254-1 et 11254-2. 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’irradiations répétées.
Nous allons décrire ci-dessous les différents modes opératoires existants.
3.1 Dispositif de mesure de tenue au flux laser
Le principe d'un banc de mesure de tenue au flux laser est représenté sur la figure 9.
Le faisceau laser, dont le niveau d'énergie ou de puissance peut être contrôlé 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 adaptées les plus couramment utilisées sont la microscopie, la diffusion et la détection photoacoustique...
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Métrologie de la tenue au flux 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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