Etude des phénomènes d'endommagement laser dans les couches ...

Université Paul Cézanne — Aix-Marseille III
HABILITATION A DIRIGER DES RECHERCHES
Présentée et soutenue publiquement par
Laurent GALLAIS
Maître de Conférences à l’Ecole Centrale Marseille
le 8 novembre 2011
Discipline : Electronique, Optronique et Systèmes
École Doctorale : Physique & Sciences de la Matière (ED352)
Etude des phénomènes d’endommagement laser dans les
couches minces et sur les surfaces optiques aux échelles
nanoseconde à femtoseconde.
Jury :
Rapporteurs : H. Bercegol Ingénieur-chercheur, CEA Saclay
D. Ristau Professeur, Laser Zentrum Hannover
V. Vigneras ENSCPB, Bordeaux
Examinateurs : M. Commandré Professeur, Ecole Centrale Marseille
F. Fotiadu Professeur, Ecole Centrale Marseille
J.Y. Natoli Professeur, Université Aix MarseilleiiTable des matières
Préambule 1
Première Partie 3
Introduction 5
1 L’endommagement laser des couches minces optiques en ré-
gime nanoseconde 9
1.1 Introduction . ... ... ... .. ... ... ... ... .. . 11
1.2 Développement d’outils expérimentaux pour l’analyse des phé-
nomènes d’endommagement.. .. ... ... ... ... .. . 14
1.3 Approche statistique du phénomène d’initiation .. ... .. . 23
1.4 Couplage de l’approche statistique à des modèles physiques .29
1.5 Modélisation multiphysique pour l’étude de défauts et de struc-
tures complexes .. ... ... .. ... ... ... ... .. . 34
1.6 Conclusion & perspectives .. .. ... ... ... ... .. . 35
2 L’endommagement laser des couches minces optiques en ré-
gime sub-picoseconde 37
2.1 Introduction . ... ... ... .. ... ... ... ... .. . 39
2.2 Banc d’interaction laser sub-picoseconde / couches minces op-
tiques... .. ... ... ... .. ... ... ... ... .. . 42
2.3 Interaction d’une impulsion laser ultra-courte avec un système
multicouche diélectrique. ... .. ... ... ... ... .. . 45
2.4 Etude des oxydes simples ... .. ... ... ... ... .. . 48
2.5 Etude des mixtures d’oxydes . . . ... ... ... ... .. . 57
2.6 Conclusions, perspectives ... .. ... ... ... ... .. . 59
iii3 Développement de procédés pour l’amélioration de la tenue
au flux laser des optiques 61
3.1 Introduction, contexte des travaux ... ... ... ... .. . 63
3.2 Analyse des modifications du matériau liées à l’endommage-
ment laser sur la silice.. ... .. ... ... ... ... .. . 65
3.3 Etude thermomécanique de l’interaction laser CO /silice .. . 672
3.4 Mise au point d’une méthode de stabilisation d’optiques en-
dommagées par laser .. ... .. ... ... ... ... .. . 72
3.5 Conclusion & perspectives .. .. ... ... ... ... .. . 75
4 Projet de recherche 77
4.1 Introduction . ... ... ... .. ... ... ... ... .. . 79
4.2 Endommagement laser des couches minces optiques... .. . 79
4.3 Composants multicouches pour lasers de puissance ... .. . 81
4.4 Applications des modifications induites par laser femtoseconde
dans les couches minces . ... .. ... ... ... ... .. . 81
4.5 Ouverture vers de nouvelles thématiques... ... ... .. . 84
Deuxième Partie 87
5 Activités et responsabilités en recherche et formation 91
5.1 Responsabilités scientifiques . . . ... ... ... ... .. . 93
5.2 Actions de valorisation, de diffusion des activités de recherche
et d’expertise ... ... ... .. ... ... ... ... .. . 97
5.3 Responsabilités collectives... .. ... ... ... ... .. . 100
5.4 Encadrement doctoral et scientifique .. ... ... ... .. . 101
5.5 Activités d’enseignement ... .. ... ... ... ... .. . 103
5.6 Publications et production scientifique . ... ... ... .. . 108
Bibliographie 122
Sélection de quelques publications 139
ivPréambule
La rédaction d’un tel document est l’occasion de se replonger dans les acti-
vités passées et de faire un bilan du chemin parcouru. C’est donc plutôt avec
plaisir qu’il a été rédigé. Ces années ont été vécues de façon intense et c’est
avec passion que j’ai exercé mon métier. Ce document est destiné à dresser
un bilan de mes travaux de recherche et à décrire les chemins qui ont mené
aux différents développements et résultats que je vais présenter. Il s’agit ici de
décrire l’historique, la démarche, les explications de principe et les résultats
auxquels ont abouti mes travaux de recherche. On ne trouvera par exemple
pas d’équations dans le document, et le lecteur intéressé par une description
plus détaillée pourra se reporter aux thèses et articles auxquels notre travail
a donné lieu. Le document est articulé de la façon suivante :
– Une première partie, la plus conséquente, est consacrée à mes activités
de recherche menées depuis 2003 à l’Institut Fresnel. Ces travaux ne
sont pas présentés par ordre chronologique mais suivant trois grandes
thématiques qui permettent de donner une cohérence à ce document. A
la fin de cette partie je détaillerai mon projet de recherche à court et
moyen terme.
– La deuxième partie est consacrée à des informations sur le déroulement
de ma carrière d’enseignant et de chercheur, comme cela est l’usage dans
ce type de document.
– Pour finir j’ai annexé à ce document quelques publications qui à mes
yeux et pour différentes raisons sont les plus significatives de mon travail
de recherche.
Bonne lecture.
L. Gallais, le 2 octobre 2011.
12Première Partie
34Introduction
Depuis la réalisation du premier laser dans les années 60, un des principaux
facteurs limitant le fonctionnement de ce type de source est la dégradation des
optiques sous flux. Ceci est un frein majeur au développement des systèmes
lasers et de leurs applications. La première mise en évidence de ce phéno-
mène ’d’endommagement laser’ remonte au milieu des années 60 [1,2]. Depuis
cette époque, toute une communauté s’est mobilisée pour comprendre les mé-
canismes fondamentaux gouvernant ces effets et améliorer les techniques de
fabrication et de conception des composants et systèmes. On peut trouver, par
exemple dans les proceedings de la conférence annuelle ’Laser Damage Sym-
posium’ créée en 1969, une base de données impressionnante sur le sujet [3].
Cette thématique est en constant renouvellement : d’une part les récents dé-
veloppements permettent d’atteindre des puissances de plus en plus élevées
(du milliwatt dans les années 70 nous sommes passés au domaine kilowatt
en continu et au petawatt en impulsionnel...) et des systèmes de plus en plus
compacts (pompés par diode par exemple); d’autre part l’émergence des la-
sers femtoseconde et leur montée en puissance a fait soumettre les optiques à
une nouvelle classe de phénomènes physiques. Or une source ou un système
laser nécessite des traitements multicouches pour filtrer, transporter, mettre
en forme temporellement ou spatiallement le faisceau. Ces traitements sont
à la fois le point clé du système mais souvent également le point limitant au
niveau de la résistance au flux. Par conséquent la tenue au flux des couches
minces optiques a toujours été un sujet d’étude accompagnant le développe-
ment des lasers depuis le départ (voir par exemple les articles de revue sur ces
sujets par Kozlowski [4], Stolz [5], Wood [6]ouRistau [7]). L’évolution per-
manente des technologies de dépôt et l’émergence de nouvelles applications
appellent également à un renouvellement constant dans la recherche sur ce
sujet. Cependant, l’amélioration de la tenue au flux des couches minces est
5Introduction
souvent délicate en raison du grand nombre de paramètres liés aux proces-
sus de fabrication qui peuvent à la fois affecter les propriétés des couches et
modifier leur seuil d’endommagement laser. Les couches minces à haute te-
nue au flux ne peuvent donc être réalisées que lorsque les mécanismes et les
causes de l’endommagement sont bien identifiés et les paramètres de fabrica-
tion parfaitement maîtrisés. 40 années de recherche ont permis de progresser
énormément tant sur l’aspect fabrication et amélioration de la tenue au flux
que sur la compréhension des principaux mécanismes d’endommagement. Il
est par exemple bien établi que 2 types de mécanismes gouvernent l’amor-
çage, que l’on peut qualifier de ’électronique’ et ’thermique’, qui peuvent être
différenciés suivant les caractéristiques temporelles de l’irradiation. Les effets
thermiques surviennent essentiellement pour de longues durées d’interaction
et les effets électroniques interviennent majoritairement aux courtes durées
d’interaction. La limite entre ces 2 domaines, se situant entre la ps et la cen-
tainedeps[8,9], correspond au temps de thermalisation d’un gaz d’électrons