Laser induced damage of fused silica optics with LMJ-like beams
Endommagement surfacique de la silice avec des faisceaux laser type LMJ
Résumé
Each of the 176 beams of the Laser MégaJoule (LMJ) facility will deliver an energy of 8 kJ at 351 nm, in
the nanosecond regime, on a millimeter scale target. This energy is distributed evenly on a 400400mm2
square aperture, prior to the beam focusing. This energy density is likely to be absorbed by sub-surface
defects induced by the polishing processes. This absorption eventually leads to laser-induced damage sites.
These initiated damage sites absorb the laser energy during the subsequent shots and are likely to grow in
size. The thick (34mm) optical windows situated after the frequency conversion module are exposed to the
highest laser energies at 351nm and are the most sensitive to these phenomena. The goal of this thesis is to
study the initiation and growth of damage sites on thick optical components with a laser beam that have
similar properties to those of a LMJ beam. Such a beam can be delivered by the MELBA facility which can
reach similar energy densities to those that can be found on the LMJ. The beam energy is evenly distributed
on a centimeter scale circular aperture and the pulse shape and duration can be defined by the user. Three
main axes have been explored in this work. The measurement of damage initiation on thick fused silica
optical components have firstly been studied. The thickness of these optical components is likely to perturb
the beam energy density via nonlinear propagation. These measurements therefore requires an accurate
metrology of the energy density after the propagation through the optical component, thus taking Kerr
small scale self focusing into account. A dedicated imaging setup has been implemented and proved to be
able to accurately measure the energy density on the exit face. This setup has therefore been used to measure
the damage density of thick optical components. The growth of a population of damage sites have secondly
been studied as a function of the laser fluence and pulse duration. These two parameters have shown to be
of critical importance to describe damage growth. Finally, the growth of damage sites up to millimeter scales
have been studied. Atypical behaviors were observed and explained via the observation and quantification
of the damage volumic morphology. Hypotheses based on the results of these measurements have been
advanced to explain the results of the measurements of the growth of a population of damage sites.
Chacun des 176 faisceaux du Laser MégaJoule (LMJ) délivrera une énergie de 8 kJ à 351 nm, dans le régime
nanoseconde, sur une cible millimétrique. Avant la focalisation, cette énergie est répartie de façon homogène
sur une surface carrée de 400x400mm². Ce flux laser est susceptible d’être absorbé par des défauts
présents sous la surface des optiques et d’endommager le composant. L’optique étant affaiblie dans les
zones endommagées, tir après tir, les dommages absorbent le flux laser, et leur surface augmente. Le composant
optique le plus sensible de l’installation est le hublot de chambre, composant épais (34mm) exposé
à de fortes valeurs de flux laser à 351 nm. Le but de cette thèse est d’étudier l’initiation et la croissance des
dommages sur ce composant avec un faisceau laser dont les propriétés sont proches de celles du LMJ. Un
tel faisceau est délivré par le banc d’endommagement laser MELBA, permettant d’atteindre des valeurs de
flux similaires à celles du LMJ sur un profil spatial homogène circulaire dont le diamètre est de l’ordre du
centimètre et avec un profil temporel accordable. Cette étude est organisée en trois axes. Premièrement, la
mesure de l’amorçage des dommages sur des composants épais. La propagation non linéaire du faisceau
modifie la répartition spatiale de l’énergie sur la face de sortie et est fonction de l’épaisseur du composent.
Cette étude nécessite une mesure juste de la répartition de l’énergie du faisceau après la propagation, tenant
compte de l’impact de l’effet Kerr. La mise en oeuvre d’un système d’imagerie dédié a permi de mesurer
correctement la répartition d’énergie du faisceau et, par conséquent, de mesurer la tenue au flux de composants
épais. Deuxièmement, l’étude de la croissance d’une population de dommages en fonction de la
fluence et de la durée d’impulsion. Il a été montré que la probabilité et la dynamique de la croissance des
dommages sont fortement dépendants de ces paramètres. Troisièmement, l’étude de la croissance de très
gros dommages, de tailles millimétriques. Des comportements atypiques vis à vis des lois établies par la
littérature ont été observés et expliqués par une observation et une quantification de la morphologie volumique
des dommages. Les différences de morphologie observées en fonction de la durée d’impulsion du
laser sont également susceptibles d’expliquer les écarts observés sur l’étude de la croissance de populations
de dommages en fonction de la durée d’impulsion.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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