Etude des mécanismes d'endommagement par laser impulsionnel des cristaux de saphir dopé titane, Study of pulsed laser induced damage mechanisms of Titanium doped Sapphire crystals
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Thèse soutenue le 22 septembre 2010: Aix Marseille 2
L'utilisation des cristaux de saphir dopé Titane de grande dimensions au sein des chaînes laser ultra-rapides de fortes puissance crêtes rend cruciale la problématique de l'endommagement laser de ces cristaux. Les travaux présentés ici ont pour but de quantifier le seuil d'endommagement des cristaux de Titane : Saphir sous irradiation femtoseconde, picoseconde et nanoseconde, régimes d'interaction qui sont représentatifs à la fois des conditions rencontrées dans les chaînes laser et des régimes d'interaction laser matière distincts. De plus, l'influence de paramètres propres à l'utilisation des cristaux tels que la cryogénie, les traitements anti-reflets ou le type de pompage optique (impulsion temporellement monomode ou non) est ensuite étudiée. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre les mécanismes d'endommagement et d'identifier les paramètres clés qui devront être optimisés dans les futures chaînes laser ultra-rapides de fortes puissances crêtes.
-Endommagement laser
-Saphir dopé titane
-Saphir
-Nanoseconde
-Picoseconde
-Femtoseconde
The use of large Ti:Sapphire crystals in ultra fast high peak power laser amplifiers makes crucial the problem of crystal laser induced damage. These works aim to qualify the laser induced damage threshold of Ti:Sapphire crystals under femtosecond, picosecond and nanosecond laser pulse irradiations, which are typically encountered in such laser chains and representative of laser matter interaction regimes. Furthermore, the influence of parameters peculiar to Ti:Sapphire crystals use in laser systems, such a cryogenic conditions, anti-relection coatings, or optical pumping kind (temporally monomode or multimode pulses), has been performed. The results are important to understand the mechanisms leading to the damage, and to reveal the key parameters which will have to be optimized in future high peak power laser chains.
Source: http://www.theses.fr/2010AIX22070/document
UNIVERSITEDELAMEDITERRANEEAIXMARSEILLEII
THESE
pourobtenirlegradede
DOCTEURENSCIENCESDEL’UNIVERSITEDELAMEDITERRANEE
AIXMARSEILLEII
Spécialité:PhysiqueetSciencesdelamatière
Mention:SciencedesMatériaux,Physique,ChimieetNanosciences
ExemplaireProvisoire
BenoîtBUSSIERE
Etude des mécanismes d’endommagement par
laser impulsionnel des cristaux de Saphir dopé
Titane
Directeursdethèse:MmeMireilleCOMMANDREetMOlivierUTEZA
CompositionduJury:
PatrickAUDEBERT Rapporteur
JérômeNEAUPORT Rapporteur
BenoîtBOULANGER Examinateur
LucVIGROUX Examinateur
JeanPaulCHAMBARET Examinateur
MireilleCOMMANDRE Directricedethèse
OlivierUTEZA Directeurdethèse
Table des matières
INTRODUCTION ......................................................................1
1 CONTEXTE ET APPROCHE DE L’ETUDE..........................9
1.1.LESCRISTAUXDESAPHIRDOPETITANE........................................... 12
1.1.1.CaractéristiquesdelamailledeSaphir..................................12
3+1.1.2.Conséquencesdudopageparl’ionTi ..................................14
1.2MECANISMESD’INTERACTIONLASERCRISTAUX.................................. 17
1.2.1.Perturbationdumatériau.....................................................18
1.2.2.Relaxationdumatériau........................................................23
1.2.2.1 Transitionsradiatives...........................................................................23
1.2.2.2 Transitionsnonradiatives....................................................................23
1.2.3.Effetsduplasma..................................................................25
1.2.4.Résumé:deuxrégimesdistinctsd’interaction........................26
1.3ENDOMMAGEMENTDESCRISTAUXDESAPHIRDOPETITANE .............. 28
1.3.1.Etatdel’artsurl’endommagementduTi:Saphir ......... ...........28
1.3.2.Pourquoiunedispersiondesmesuresdeseuil
d’endommagement?.....................................................................31
1.3.2.1 Variationdesconditionsdetest ...........................................................34
1.3.2.2 Détection(s)del’endommagement .......................................................34
1.3.2.3 Définition(s)d’unseuild’endommagement..........................................36
1.4STRATEGIEDEL’ETUDE .................................................................... 39
1.4.1.Objectifsdel’étude..............................................................39
1.4.2.Programmed’études............................................................39
1.4.3.Choixdelaméthodeexpérimentale .......................................40
1.4.4.Méthodologie,modélisationetinterprétationdelamesure de
probabilitéd’endommagement........................................................41
Tabledesmatières
2 DEVELOPPEMENT D’UN BANC DE TEST DE TENUE AU
FLUX........................................................................................45
2.1MOYENSEXPERIMENTAUX................................................................. 46
2.1.1.Descriptiondumontageexpérimental....................................46
2.1.2.Sourceslaserutilisées..........................................................47
2.1.3.Echantillonsétudiés.............................................................49
2.2DIAGNOSTICD’ENDOMMAGEMENT..................................................... 55
2.2.1.Diagnosticex2situ...............................................................55
2.2.2.Diagnosticinsitu................................................................56
2.2.2.1 Principeetmiseenœuvreexpérimentale.............................................57
2.2.2.2 Déroulementdeladétectionautomatique............................................61
2.2.2.3 Résultatsobtenusetconclusions ..........................................................64
2.3MESURESETREGLAGESPRELIMINAIRES............................................. 66
2.3.1.Surfaceirradiée ..................................................................66
2.3.2.Energied’endommagement...................................................67
2.3.2.1 Mesuredel’énergiesurcible.................................................................67
2.3.2.2 CasduTi:Saphirirradiéà532nm ........................................................68
2.3.3.Problèmesliésàlafocalisationdel’impulsionlaser................69
2.3.3.1 Aberrations...........................................................................................69
2.3.3.2 Autofocalisation....................................................................................70
2.3.4.Optimisationdesparamètresgéométriquesdetest..................74
2.3.4.1 Choixdutypedefocalisation...............................................................74
2.3.4.2 Mesuredel’indicenonlinéaireduSaphir ............................................76
2.4PRECISIONDELAMESUREDUSEUILD’ENDOMMAGEMENT................... 80
2.4.1.Erreursurlaprobabilitéd’endommagement...........................80
2.4.2.Erreursurlafluenced’irradiation ........................................84
2.4.3.Comparaisondesmesures ....................................................85
Table des matières
3 PRESENTATION ET ANALYSE DES RESULTATS
EXPERIMENTAUX.................................................................89
3.1ETUDEPARAMETRIQUE..................................................................... 90
3.1.1.Influencedelaqualitédepolissage........................................90
3.1.2.Comparaisondestenuesaufluxensurfaceetenvolumedu
Saphir.........................................................................................95
3.1.2.1 Remarquespréalables ...........................................................................95
3.1.2.2 Expériencesà532nm ............................................................................97
3.1.2.3 Importancedelalongueurd’onde ......................................................100
3.1.2.4 Expérienceenrégimefemtoseconde....................................................102
3.1.2.5 Interprétationdesrésultats ................................................................103
3+3.1.3.Effetdudopageparl’ionTi ............................................. 106
3.1.3.1 Irradiationinfrarouge:un«effetdudopage»?...............................107
3.1.3.2 Rôledudopageàdifférenteslongueursd’onde ..................................111
3.1.3.3 Irradiationà532nm............................................................................113
3.1.3.4 Synthèsesurl’influencedudopage.....................................................116
3.1.4.FatiguedescristauxdeSaphiretdeTi:Saphir ........ ............. 117
3.1.4.1 FatiguedescristauxdeSaphirpur.....................................................119
3.1.4.2 FatiguedescristauxdeTi:Saphir.......................................................121
3.1.5.Importancedelagéométriedefocalisation .......................... 124
3.1.5.1 Synthèsedesrésultatsobtenusavecunefortefocalisation.................124
3.1.5.2 Endommagementavecunfaisceauparallèle.......................................125
3.1.5.3 Comparaisondelatenueaufluxdecristauxdopésetnondopés......128
3.2OPTIMISATIONDESCHAINESCPA ....................................................130
3.2.1.Modificationdubancdetest............................................... 130
3.2.2.Influencedesconditionscryogéniques.................................. 132
3.2.3.Endommagementdescristauxtraitésanti2reflets.......... ........ 136
3.2.3.1 Endommagementdestraitementsantirefletsdanslesconditions
cryogéniques ......................................................................................................136
3.2.3.2 Comparaisondescristauxtraitésetnontraités.................................138
3.2.4.Discussionetsynthèsesurl’influencedelacryogénie ........... 141
3.2.5.Influenced’unpompagemonomode..................................... 142
SYNTHESE, CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ............. 145 Tabledesmatières
A.PROPAGATION D’UN FAISCEAU GAUSSIEN............. 153
A.1DISTRIBUTIONSPATIALEDEL’ENERGIE............................................153
A.2PROPAGATIOND’UNFAISCEAUGAUSSIEN.........................................155
B.CALCUL DE LA PROBABILITE D’ENDOMMAGEMENT
161
B.1. DESCRIPTIOND’UNEPOPULATIONDECENTRESPRECURSEURS.......161
B.2. PROBABILITED’ENDOMMAGEMENT...............................................162
B.3. REPARTITIONSURFACIQUEDESDEFAUTS......................................163
B.4. REPARTITIONVOLUMIQUEDESDEFAUTS.......................................165
BIBLIOGRAPHIE.................................................................. 169
Introduction
C’esten1986queP.F.Moultondécouvrelespropriétésspectralesexceptionnelles
des cristaux Saphir dopé Titane (Ti:Sa) [1]. Ces cristaux ont en effet l’avantage de
