Endommagement laser des composants optiques - Mécanismes physiques et métrologie de la tenue au flux laser

1 - Définitions et notions liées au domaine

• 1.1 - Endommagement laser
  Figure 1 - Endommagement laser observé à la surface d’un verre de silice. Le composant a été irradié avec un laser Nd:YAG 1 064 nm impulsionnel
• 1.2 - Paramètres d’irradiation laser
  Figure 2 - Caractéristiques énergétiques d'une irradiation par un laser impulsionnel ou à blocage de modes Figure 3 - L'endommagement laser d'un composant peut se produire sur la surface (face avant ou face arrière par rapport au sens de propagation du faisceau) ou dans le volume du matériau
• 1.3 - Seuil d’endommagement laser

2 - Origine de l’endommagement laser

• 2.1 - Absorption et effets thermiques
  Figure 4 - Courbe de transmission typique d’un matériau optique caractérisé par une fenêtre de transparence et des bandes d’absorption Figure 5 - Observation au microscope de dommages laser sur des surfaces Figure 6 - Fracturation d'un verre irradié par laser
• 2.2 - Photo-ionisation et claquage diélectrique
  Figure 7 - Ionisation d’un matériau diélectrique ou semiconducteur Figure 8 - Représentation schématique de différents types de défauts pouvant induire une surintensification du champ électrique près de la surface d'une optique (Crédit Bloembergen)
• 2.3 - Autres effets
  Figure 9 - Une modification locale d'un composant (endommagement) peut entraîner par effet de diffraction une surintensification locale sur un autre composant du système laser, et induire un endommagement (par exemple un écrantage circulaire du faisceau peut créer une tache d'Airy)

3 - Métrologie de la tenue au flux laser

• 3.1 - Dispositif de mesure de tenue au flux laser
  Figure 10 - Principe d'un banc de mesure de tenue au flux laser
• 3.2 - Paramètres d’exposition
  Figure 11 - Profil temporel d'une impulsion issue d'un laser Nd:YAG triplé (355 nm) et mesure de la durée de cette impulsion
• 3.3 - Mesures de probabilités d’endommagement
  Figure 12 - Profil 2D d’un faisceau issu d’un laser Nd:YAG à 355 nm, focalisé par une lentille de focale 1 m Figure 13 - Description de l’échantillonnage effectué pour la mesure des probabilités d’endommagement et de la densité d’énergie vue par un site dans les différents cas Figure 14 - Exemples de courbes de probabilité d'endommagement obtenues en utilisant la méthode de test 1-on-1
• 3.4 - Mesures de densités de dommages
  Figure 15 - Exemples de courbes de probabilité d'endommagement obtenues en utilisant la méthode de test S-on-1 Figure 16 - Schéma de principe d’une mesure de tenue au flux laser en mode raster scan à l’aide d’un faisceau d’irradiation à profil spatial gaussien

4 - Influence des paramètres d’irradiation sur la tenue au flux laser, lois d’échelle

• 4.1 - Longueur d’onde
• 4.2 - Durée d’irradiation
• 4.3 - Dimension du faisceau laser
• 4.4 - Nombre de tirs, taux de répétition
• 4.5 - Polarisation
• 4.6 - Considérations environnementales

5 - Composants optiques adaptés aux forts flux laser

• 5.1 - Matériaux massifs
• 5.2 - Polissage des surfaces
  Figure 17 - Exemple de résultat obtenu par la méthode de comptage de dommages
• 5.3 - Nettoyage des surfaces
• 5.4 - Couches minces diélectriques
• 5.5 - Conditionnement des matériaux
• 5.6 - « Réparation » des dommages
  Figure 18 - Représentation schématique d'une coupe de la surface d'un verre après polissage (Crédit Krol) Figure 19 - Description du procédé de stabilisation sur un verre de silice
• 5.7 - Fibres optiques

6 - Conclusion