Impact de l’environnement sur l’endommagement laser des optiques de silice du Laser MégaJoule, Impact of environmental contamination on laser induced damage of silica optics in Laser MegaJoule

N° d’ordre : 3886

THÈSE
PRÉSENTÉE A
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGENIEUR
Par Karell BIEN-AIME
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : Laser, matière et nanosciences

Impact de l’environnement sur l’endommagement
laser des optiques de silice du Laser MégaJoule

Thèse dirigée par Evelyne FARGIN et Ivan IORDANOFF
Soutenue le : 23 novembre 2009

Devant la commission d’examen formée de :
M. Claude DELMAS Directeur de recherche ICMCB Président
M. Philippe DELAPORTE recherche LP3 Rapporteur
M. Etienne BARTHEL Chargé de recherche Saint Gobain recherche Rap
Mme Evelyne FARGIN Professeur des universités ICMCB Examinateur
M. Ivan IORDANOFF Directeur de recherche LAMEFIP Examinateur
Mme Isabelle TOVENA-PECAULT Ingénieur CEA Examinateur

Université Bordeaux 1 – Les Sciences et les Technologies au service de l'Homme et de l'environnement
-2009- IIREMERCIEMENTS

Ce travail de thèse a été réalisé en collaboration entre le Commissariat à l’Energie
Atomique CEA/CESTA et l’Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux
(ICMCB) de l’Université Bordeaux 1.


Je tiens donc à remercier Nathalie Ferriou-Daurios, de m’avoir accueillie au sein de son
laboratoire au CEA/CESTA. Par ailleurs, j’exprime tout ma gratitude à Claude Delmas,
directeur de l’ICMCB pour m’avoir permis d’intégrer le groupe matériaux pour l’optique de
son laboratoire et d’avoir accepté de présider mon jury.


Je souhaite remercier ma directrice de thèse, Evelyne Fargin, d’avoir accepté d’encadrer
ces travaux et mon co-directeur de thèse, Ivan Iordanoff pour la confiance qu’il m’a accordé
au cours de cette thèse.
J’exprime également ma reconnaissance à mon encadrante au CEA, Isabelle Tovena-
Pecault qui m’a fait bénéficier de son expérience et de son influence pour mener à bien mes
travaux.


Je remercie Etienne Barthel, chargé de recherche au laboratoire Surface du Verre et
Interfaces du groupe industriel Saint Gobain, unité mixte de recherche CNRS ainsi que
Philippe Delaporte, directeur de recherche CNRS, au Laboratoire Lasers, Plasmas et Procédés
Photonique de l’Université de la Méditerranée, qui ont accepté de juger ce travail et d'en être
les rapporteurs.


L'aboutissement de cette thèse a aussi été encouragé par la participation de collègues de
disciplines variées.


Je veux adresser tous mes remerciements à Hervé Bercegol. Ses compétences, sa
disponibilité et son implication ont été très précieuses pour l’avancée de mes travaux.
J’exprime toute ma gratitude à Pierre Grua qui a grandement contribué à mes réflexions,
qui grâce à sa rigueur, a fait progresser considérablement mes travaux de thèse et enfin qui a
su se rendre disponible pour la relecture de mon mémoire.
J’aimerais remercier très sincèrement Antoine Bourgeade pour ses analyses, son
importante participation aux simulations et la qualité de nos échanges scientifiques.
III Je remercie très sincèrement, Jérôme Néauport avec qui j’ai eu des discussions très
fructueuses, et qui a su m’orienter aux cours de ces trois ans.

J’exprime toute ma sympathie à l’ensemble des collègues de mon laboratoire de
rattachement au CEA pour m’avoir aidé à résoudre un certain nombre de questions pratiques,
logistiques, techniques, ou scientifiques. Merci tout particulièrement à Philippe Cormont et
Eric Lavastre pour leur aide et Stéphanie Palmier pour ses bons conseils. Merci aux apprentis
de ma première année de thèse qui m’ont permis de m’intégrer facilement au sein du
laboratoire et plus particulièrement à Séverine Garcia pour son amitié et sa confiance. Je tiens
à remercier tous les étudiants de passage, ou encore présents au laboratoire pour leur
sympathie et leur souhaite une bonne continuation. Je remercie ma collègue de bureau, Julie
Destribats, « Ma Julie », d’avoir été une oreille si attentive et si compréhensive, et de m’avoir
rendu tant de services. Je ne peux oublier un autre collègue de bureau, Rémi Bergez et notre
voisine de bureau Dorothée Gilhodes, pour leur amitié, pour avoir su faire régner une si bonne
ambiance de travail et pour tous les bons moments passés, entre amis, en dehors.

Je tiens à remercier l’équipe du stock optique qui a su me fournir mes échantillons en
temps et en heure et toujours dans la bonne humeur.



Mes remerciements s’adressent au groupe matériaux pour l’optique, mais également à
l’ensemble des membres de l’ICMCB pour leur aide et leur sympathie. Je remercie en
particulier, Alain Garcia, Thierry Cardinal, François Guillen, Christine Labrugère, et Angeline
Poulon pour leur aide, Alexandre Fargues pour sa disponibilité et Jessica Fournier pour sa
sympathie, son soutien et lui souhaite une bonne continuation.
Je voudrais remercier les équipes du laboratoire ISM de l’Université Bordeaux 1 tout
particulièrement et très sincèrement Colette Belin pour sa grande disponibilité, ses précieux
conseils et qui m'a encouragée à finir ce travail par des gestes d'amitié dont je lui suis
reconnaissante. Je souhaiterais également remercier Vincent Rodriguez, Thierry Buffeteau,
Michel Couzi et Hélène Budzinski pour leurs conseils et leur participation à l’obtention de
données expérimentales.


Je remercie l’ensemble du laboratoire de métrologie optique du CEA et plus
particulièrement Laurent Lamaignère, Thierry Donval, Marc Loiseau, sans qui de nombreux
résultats expérimentaux n’auraient jamais été obtenus.
Merci au laboratoire de simulation du CEA pour son aide.
J’exprime ma sympathie à l’équipe de la LIL qui m’a aidé à faire mes premiers pas en salle
propre.


IVMerci à l’ensemble des membres du groupe de recherche sur la propreté du CEA/CESTA
qui ont été des critiques de qualité tout au long de ma thèse, et plus précisément à Alexandre
Pereira qui a su me faire profiter efficacement de ses connaissances.
Merci au laboratoire sol-gel du CEA/Le Ripault, plus précisément à Karine Vallé,
Laurence Beaurain, et Christophe Bousquet de m’avoir permis de travailler dans de très
bonnes conditions pour la réalisation des traitements sol-gel.
Je remercie l’Institut Fresnel et tout particulièrement Laurent Gallais.
De plus, je remercie l’équipe du laboratoire d’optoélectronique qui ont été les premiers à
m’accueillir au CEA/CESTA et qui m’ont aidé pour certaines simulations.


Merci à mes copines Nilda et Samora, qui étaient de vrai sas de décompression le week
end. Je tiens à remercier très sincèrement mon amie Carole, une confidente, toujours présente,
un vrai soutien depuis tant d’années déjà.


Un grand, très grand merci à mes parents, mon frère et plus globalement à ma famille pour
leur soutien sans faille et leurs encouragements.

Enfin, Clément, les mots me manquent pour te remercier…


V TABLE DES MATIERES
Introduction ____________________________________________________________ - 8 -
1 Présentation du sujet et étude bibliographique de l’endommagement sous flux laser _ -
11 -
1.1 Le Laser MégaJoule et la Ligne d’Intégration Laser ________________________ - 13 -
1.1.1 Principe de fonctionnement du Laser MégaJoule et de la Ligne d’Intégration Laser _______ - 13 -
1.1.2 Les composants optiques en silice ______________________________________________ - 15 -
1.2 Spécifications de propreté sur la LIL, prototype du LMJ ____________________ - 16 -
1.2.1 Propreté volumique _________________________________________________________ - 16 -
1.2.2 Propreté surfacique - 17 -
1.3 Les mécanismes d’endommagement laser _________________________________ - 17 -
1.3.1 L’endommagement laser _____________________________________________________ - 17 -
1.3.2 Les principaux mécanismes d’endommagement laser des matériaux diélectriques en régime
nanoseconde _____________________________________________________________________ - 18 -
1.4 Etude bibliographique de l’impact de la contamination chimique dans le domaine des
lasers - 22 -
1.4.1 La contamination particulaire _________________________________________________ - 23 -
1.4.2 Pertes des performances optiques ______________________________________________ - 23 -
1.4.3 D