Le phénomène d’endommagement laser

Le phénomène d’endommagement laser 

Les lasers de puissance et leurs applications

Les lasers continus

Laser à CO2
Le laser à CO2 émet dans l’infra-rouge, à 10,6 et 9,6 µm. Son milieu actif est constitué d’un mélange gazeux à basse pression composé de CO2 ,N2 et He. Le pompage est alors réalisé par décharge électrique. Ce type de laser fonctionne généralement en mode continu avec un rendement élevé (supérieur à 10 %), atteignant des puissances de l’ordre de 40 kW. La grande maîtrise de leur fonctionnement, et ses nombreuses applications, en font le laser de prédilection du milieu industriel pour le traitement de surface, la soudure  et la découpe de métaux , matières plastiques, verres et bois.

Il présente néanmoins certains inconvénients :
– un encombrement souvent important malgré les efforts des constructeurs ;
– un couplage faible du rayonnement avec les métaux ;
– l’impossibilité d’utiliser un mode de transport du faisceau par fibre optique ;
– la focalisation est limitée (grande longueur d’onde).

Notons que ce type de laser est actuellement utilisé pour tenter de “réparer” des endommagements laser en surface de composants en silice, par fusion / évaporation locale. Le principe de base consiste à faire fondre la partie endommagée par irradiation afin de faire disparaître les fractures induites par l’endommagement laser [11]. Le laser à CO2 peut également fonctionner en mode impulsionnel. Ses applications sont alors généralement militaires, mais il peut aussi être utilisé dans le secteur médical (dentisterie, dermatologie).

Diode laser
Les diodes lasers de puissance émettent dans un domaine de longueur d’onde compris entre 780 et 920 nm. Leur assemblage sous forme de barrette ou d’empilement ainsi que leur multiplexage par lentille ou fibre optique permettent aujourd’hui d’atteindre des densités de puissance de quelques dizaines de kW/cm2 , permettant d’effectuer de la découpe de matériau. Il existe plusieurs intérêts à utiliser ce type de source :
– d’un point de vue technique, ses longueurs d’onde d’émission sont mieux absorbées par les éléments métalliques que celles des lasers à CO2 ;
– ce sont des sources très économiques. Elles présentent un faible encombrement de la tête laser, une durée de vie importante et ont une maintenance limitée. De plus, Elles possèdent un très bon rendement qui limite les problèmes de refroidissement.

Les lasers impulsionnels

Laser Nd :YAG 

Le laser Nd :YAG (Yttrium Aluminium Garnet ) émet dans le proche infrarouge à 1064 nm  , le plus souvent en mode impulsionnel  . Le milieu actif est un barreau de grenat d’aluminium et d’yttrium (Y3Al5O12) dopé par des ions néodyme Nd3+. Le pompage optique est assuré par lampe flash ou diode laser. Ce laser peut fonctionner soit en mode déclenché, ou Q-switched, (impulsions : 1 à 700 ns) permettant de délivrer des puissances crêtes très élevées de l’ordre du gigaWatt, soit en mode relaxé (impulsions de 0,1 à 20 ms). Dans l’industrie, ce type de laser est très utilisé pour la découpe et le perçage.

Laser Excimère
Le laser excimère a un milieu actif gazeux. Il émet en mode impulsionnel dans l’ultraviolet entre 193 et 351 nm selon le mélange gazeux utilisé. Le milieu gazeux est composé d’un gaz rare (Ar, Xe, Kr) et d’un composé halogéné (F2 , HCl). Le pompage, électrique ou par faisceau d’électrons, va conduire à la formation de molécules excitées ArF (λ = 193 nm), KrF (λ = 248 nm), XeCl (λ = 308 nm), XeF (λ = 351 nm). Les énergies délivrées sont de l’ordre du Joule et les durées d’impulsions varient entre 10 et 150 ns pour une fréquence d’émission pouvant atteindre le kiloHertz. Le laser excimère présente de nombreux avantages. Grâce à une longueur d’onde courte, et à des effets thermiques limités, il permet de faire de la gravure avec une résolution spatiale sub-micronique.

L’énergie importante des photons (plusieurs eV) permet d’effectuer des traitements photo-chimiques. Ce type de laser est aussi très utilisé pour la chirurgie de l’œil. Le principal défaut de ces sources qui freine leur développement industriel est la présence de gaz toxiques dans les cavités laser, impliquant des précautions d’utilisation non négligeables.

Laser Titane-Saphir
C’est le laser le plus utilisé pour générer des impulsions femtosecondes. Le milieu actif est un cristal de saphir dopé par des ions titane. Du fait de la très faible largeur temporelle des impulsions, cette source émet sur un spectre large pouvant aller de 700 à 1080 nm, centré sur 800 nm.

Notons que contrairement aux lasers précédemment cités, l’interaction laser-matière en mode femtoseconde est athermique  , ce qui lui confère des propriétés très intéressantes pour les applications industrielles et médicales. En effet, en régime femtoseconde, le matériau n’a pas le temps de chauffer. La découpe est donc beaucoup plus précise avec des bords de découpe plus nets, ou des trous plus profonds sans qu’ils ne s’élargissent lors du perçage.

Le Laser MégaJoule

Le projet LMJ (Laser MégaJoule), mené par le Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA), doit permettre à terme de disposer d’une installation laser de très grande dimension délivrant 1,8 MJ en quelques nanosecondes sur une cible de quelques millimètres. Le but est de pouvoir créer expérimentalement les conditions de température et de pression nécessaires à la fusion thermo-nucléaire par confinement inertiel  .

Pour atteindre une telle énergie, le système laser sera constitué de 240 faisceaux lasers UV de forme carrée de 40 × 40 cm2 . La longueur d’onde initiale du laser est 1063 nm. Une série de plaques amplificatrices permet d’obtenir une énergie de 15 à 20 kJ. La longueur d’onde du faisceau laser est ensuite doublée puis triplée après passage dans la partie conversion de fréquence afin d’obtenir des impulsions laser à 351 nm.

Généralités sur les mécanismes de l’endommagement laser

Actuellement, l’une des principales limites au développement et à l’utilisation de lasers de puissance est l’endommagement des matériaux optiques, en particulier ceux servant à l’amplification, à la conversion de fréquence, au transport, à la mise en forme du faisceau,… Il est défini comme étant une modification irréversible du matériau induite par l’irradiation laser. Afin de mieux appréhender ce phénomène, nous allons ici en décrire les mécanismes généraux. Ces mécanismes étant très dépendants de la source laser utilisée, et notamment de sa durée d’impulsion, et du matériau irradié, nous traiterons ici uniquement le cas de l’endommagement laser en régime nanoseconde dans des matériaux diélectriques. Dans le cas d’un “matériau parfait”, c’est à dire exempt de tout défaut et d’absorption résiduelle, l’endommagement laser apparaît lorsque la valeur du champ électrique dépasse une valeur “seuil”, propre à ce matériau. On appelle ce phénomène le claquage diélectrique. Expérimentalement, les seuils d’endommagement laser mesurés sont bien plus bas que les valeurs calculées pour un “matériau parfait” [14]. L’explication la plus communément évoquée par la communauté scientifique est la présence dans les matériaux de défauts qui initient l’endommagement laser. Nous allons voir que ces défauts peuvent être de plusieurs natures .

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Table des matières

Introduction
1 Le phénomène d’endommagement laser
1.1 Introduction
1.2 Les lasers de puissance et leurs applications
1.2.1 Les lasers continus
1.2.2 Les lasers impulsionnels
1.2.3 Le Laser MégaJoule
1.3 Généralités sur les mécanismes de l’endommagement laser
1.3.1 Les défauts absorbants
1.3.2 Les défauts non absorbants
1.3.3 L’autofocalisation
1.3.4 Les effets du plasma
1.4 Conclusion
2 Les outils Expérimentaux
2.1 Introduction
2.2 Mesure de l’endommagement laser
2.3 Dispositif de mesure de tenue au flux laser
2.3.1 Montage expérimental
2.3.2 Caractérisation de la source laser
2.4 Le microscope photothermique
2.5 Conclusion
3 Les outils théoriques
3.1 Cas d’un matériau idéal
3.2 Modèle statistique de l’endommagement laser
3.2.1 Endommagement laser dans le volume
3.2.2 Endommagement laser en surface
3.2.3 Endommagement laser dans une couche mince
3.2.4 Effet de la taille du faisceau d’irradiation
3.3 Couplage entre théorie statistique et mécanisme d’initiation de l’endommagement laser
3.3.1 Propriétés thermiques et optiques des centres précurseurs
3.3.2 L’absorption d’une particule sphérique
3.3.3 Fluence critique
3.3.4 Distribution de taille des centres précurseurs
3.3.5 Probabilité d’endommagement laser
3.3.6 Influence des paramètres du modèle sur les courbes de probabilité d’endommagement théoriques
3.4 Conclusion
4 Initiation de l’endommagement laser dans le volume : Cas des cristaux de KH2PO4
4.1 Introduction
4.2 État de l’art sur le KDP à croissance rapide
4.2.1 Croissance du KDP
4.2.2 Identification des défauts présents dans le KDP
4.2.2.1 Les défauts macroscopiques
4.2.2.2 Les défauts sub-microscopiques
4.2.2.3 Les centres colorés
4.3 Etude de l’endommagement laser dans le KDP avec un faisceau très focalisé
4.3.1 Les échantillons
4.3.2 Mesures d’absorption par déflexion photothermique
4.3.3 Mesures de LIDT résolues spatialement
4.3.4 Effet de conditionnement laser
4.3.5 Conclusion partielle
4.4 Etude multi-échelle de l’endommagement laser dans le KDP
4.4.1 Contexte
4.4.2 Restriction d’une étude statistique “classique” de l’endommagement laser en faisceau très focalisé
4.4.3 Etude multi-échelle du KDP en mode 1-on-1
4.4.4 Vers une identification des différentes populations de centres précurseurs
4.4.5 Morphologie des endommagements
4.4.6 Etude multi-échelle du KDP en mode R-on-1
4.5 Conclusion
Conclusion

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