Soutenance mémoire
Infrastructures laser de haute puissance
Sites et applications
C’est sous la forme de lumière que le cosmos libère son énergie. Dans le soleil en particulier, la température (15 000 000°C) et la densité de matière (150g/cm3 ) sont si élevées que les atomes d’hydrogène peuvent fusionner en un atome d’Hélium libérant ainsi l’énergie qui permet la vie sur terre. Alors que l’un des enjeux majeurs aujourd’hui pour notre société est justement de satisfaire notre besoin grandissant en énergie à travers une solution durable et responsable, les scientifiques du monde entier cherchent à démontrer les principes physiques de la fusion nucléaire, c’est à dire à reproduire artificiellement et de manière contrôlée, en laboratoire, les mécanismes de génération d’énergie naturelle du soleil. Cette démonstration a été réalisée par confinement magnétique et des progrès considérables sont attendus grâce au projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).[32] Cependant, étant donné la nature des enjeux, une autre approche est étudiée au sein de différentes installations à travers le monde : le confinement inertiel par laser. La physique de la fusion est également étudiée grâce aux installations du NIF [71] et du LMJ (Laser Mégajoule), [48] et la démonstration des principes physiques de la fusion nucléaire par utilisation de la technologie laser devrait être faite prochainement.
Les recherches sur le confinement inertiel par laser, menées majoritairement dans le cadre de financements par les départements de la défense, ont fortement contribué à l’évolution technologique des lasers depuis la première démonstration de l’effet laser en 1960 au Hughes Aircraft Laboratory. Petit à petit, les chercheurs ont pu disposer d’outils pour explorer la matière dans des régimes de plus en plus extrêmes . Aujourd’hui l’Europe ambitionne à travers le financement du projet ELI (Extreme light Infrastucture) [63] de construire des infrastructures laser de grande envergure pour mettre à la disposition de la communauté scientifique mondiale les plus hautes puissances crêtes et intensités focalisées jamais créées.
ELI est la première installation dédiée à l’étude fondamentale de l’interaction laser/matière en régime ultra-relativiste (I > 10²⁴ W/cm² ) avec l’objectif ultime de disposer d’un faisceau laser de 200PW. Afin de libérer l’ensemble des verrous technologiques, trois premières installations , appelées aussi “piliers”, sont construites dans trois pays différents avec des applications complémentaires aussi bien au niveau de l’architecture laser que des expériences. D’autres projets d’infrastructures laser de classe PW grandissent un peu partout dans le monde. Parmi elles on peut citer Bella aux Etat-Unis qui est le premier laser au monde ayant générée une impulsion de 1PW et le laser Apollon 10PW, inauguré le 29 septembre 2015, dont l’infrastructure sert de prototype aux lignes 10PW des piliers de ELI.
Architecture d’un laser multi-petawatt
Le laser Apollon 10P a pour ambition de mettre à disposition à la communauté scientifique une intensité supérieure à 2 × 10²² W/cm² , grâce à un faisceau laser de 10PW de puissance crête obtenue à partir d’une énergie de 150J comprimée dans une impulsion de 15fs. Ce qui fait la spécificité du laser Apollon 10PW est la durée d’impulsion visée qui est plus courte que celle des autres infrastructures laser multi petawatts (20-40fs) et qui nécessite donc une maîtrise toute particulière du spectre de l’impulsion.
En effet, chaque élément requiert un niveau de développement à la pointe de la technologie actuelle, voir au delà. La mise au point de lasers de pompe aux niveaux d’énergie requis (400J) est un challenge considérable tout comme la fabrication de cristaux Ti:Saphir de taille multi-centimétrique. En tant que fabricant d’optiques de hautes performances et de grandes dimensions Reosc s’intéresse particulièrement dans ce cadre aux challenges de la conception, de la fabrication et de la mesure de larges optiques avec en premier lieu les miroirs de transport mais également les miroirs à fuite de diagnostic, les séparatrices et les miroirs déformables ou encore les réseaux de diffraction et les paraboles extrêmes de focalisation.
En effet, les challenges associés à la construction d’un système laser du niveau de complexité et de performances du système Apollon 10P résident en grande partie dans la tenue au flux laser des optiques à des durées d’impulsions ultra-courtes. En effet, comme nous le verrons par la suite, les mécanismes d’interactions laser/matière en régime d’impulsions femtosecondes diffèrent des mécanismes maintenant bien connus du régime d’impulsions nanosecondes. De plus, on notera que les spécifications en terme de tenue au flux laser sont bien plus élevées que le besoin théorique afin de sécuriser d’une part l’écart entre la résistance au flux laser mesurée sur une plateforme de tests et la résistance au flux laser dans les conditions réelles d’utilisation et d’autre part les éventuelles fluctuations d’intensité générales ou localisées du faisceau laser. Ensuite, de part les propriétés de la transformée de Fourier, la génération d’impulsions de plus en plus courtes nécessite des spectres de plus en plus étendus. Les performances optiques des composants (par exemple la réflectivité) doivent être atteintes sur des larges gammes spectrales. Cette particularité des régimes impulsionnels ultra-courts nécessite également une maîtrise de la dispersion de vitesse de groupe (GDD) qui apporte une contrainte supplémentaire importante au design des traitements. Enfin, sur une installation de la taille d’Apollon 10P, le nombre important de composants ne laisse que peu, voire pas de place à un relâchement des performances de chacun. Bien sûr les acquis des développements des composants pour les lasers “nanosecondes” au niveau des procédés de fabrication constituent une solide base pour atteindre les objectifs fixés.
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Table des matières
Introduction générale
1 Contexte et état de l’art
1.1 Infrastructures laser de haute puissance
1.1.1 Sites et applications
1.1.2 Architecture d’un laser multi-petawatt
1.1.3 Challenges
1.2 Interactions laser/matière
1.2.1 Généralités sur l’interaction lumière/matière
1.2.2 Propagation d’une onde électromagnétique dans un milieu diélectrique
1.2.3 Mécanismes de l’endommagement laser en régime femtoseconde
1.3 Tenue au flux laser des matériaux couches-minces
1.3.1 Matériaux métalliques
1.3.2 Matériaux diélectriques
1.3.3 Miroirs haute-réflectivité
2 Mesure de l’endommagement laser
2.1 Métrologie
2.1.1 Le banc optique
2.1.2 L’échantillon
2.1.3 Procédure de test
2.1.4 Le seuil d’endommagement
2.2 Plateformes de tests
2.2.1 500fs-1030nm
2.2.2 40fs-800nm
2.2.3 10fs-800nm
3 Couches Minces Optiques
3.1 Conception de fonctions optiques
3.1.1 Généralité
3.1.2 Calcul du champ électrique
3.2 Fabrication
3.2.1 Préparation du substrat
3.2.2 Dépôt de couches minces optiques
3.3 Caractérisations
3.3.1 Propriétés physiques
3.3.2 Propriétés optiques
3.3.3 Propriétés mécaniques
4 Tenue au flux laser de matériaux couches minces en régime femtoseconde
4.1 Études de matériaux diélectriques
4.1.1 Le dioxyde d’hafnium
4.1.2 Le dioxyde de silicium
4.1.3 Autres matériaux diélectriques
4.1.4 Bilan
4.2 Comportement des matériaux dans un empilement réfléchissant
4.2.1 Design
4.2.2 Fabrication
4.2.3 Caractérisations
4.2.4 Tenue au flux laser
5 Fabrication de composants pour lasers multipetawatt
5.1 Optiques réfléchissantes et semi-réfléchissantes
5.1.1 Traitements MLD et MMLD
5.1.2 Différentes formes de miroirs
5.1.3 Lames séparatrices et miroirs de diagnostics
5.2 Réseaux de diffraction
5.2.1 Conception
5.2.2 Fabrication
5.2.3 Caractérisations de l’empilement non structuré
5.2.4 Caractérisations du réseau
Conclusion générale
Bibliographie
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