Endommagement laser en régime nanoseconde dans les couches minces de mixtures d'oxydes métalliques et dans les composants microstructurés

Nanosecond laser damage in mixed thin films of metal oxides and in microstructured components

• Auteur / Autrice : Xinghai Fu
• Direction : Mireille Commandré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Marseille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Mots clés libres

Endommagement laser

Impulsions nanoseconde

Mixtures

Bande interdite

Densité de précurseurs

Température critique

Résumé

Le phénomène de l'endommagement laser en régime nanoseconde à λ=1064 nm est étudié dans des couches minces de mélanges d'oxydes métalliques (Zr, Nb, Hf, Al, Sc) et de silice déposées par pulvérisation par faisceau d'ions (IBS) ainsi que dans des composants multicouches microstructurés. L'intérêt est focalisé sur la métrologie des seuils d'endommagement et sur la compréhension des mécanismes d'initiation, l'objectif in fine étant le développement de composants à haute tenue au flux. Nous montrons que le seuil d'endommagement nanoseconde des mixtures croit avec la fraction volumique de silice et avec la largeur de bande interdite comme en régime femtoseconde. Or aux échelles nanosecondes l'endommagement s'initie sur des défauts (précurseurs) absorbants de taille nanométrique : la distribution du champ et des pertes électromagnétiques dans l'empilement du fait de ces défauts, puis les effets thermiques photo-induits jouent un rôle majeur. La théorie de Mie ainsi qu'une méthode basée sur les éléments finis (FEM) sont utilisées pour calculer l'absorptivité du défaut et un modèle de diffusion de la chaleur permet le calcul de la distribution de température photo-induite. On montre qu'une température critique Tc dépendante de la largeur de bande interdite permet de décrire l'évolution des seuils. La dépendance de Tc avec le gap est comparable à celle de la température du plasma trouvée dans la littérature. Un modèle statistique permet enfin de calculer la probabilité d'endommagement en fonction de la fluence. Les courbes théoriques et expérimentales sont comparées, ce qui permet d'identifier les précurseurs comme des défauts à très forte absorptivité (type métallique) de taille de 5 à 20 nm.

The phenomenon of nanosecond laser damage at λ = 1064 nm is studied in mixed thin films of metallic oxides (ZrO2, Nb2O5, HfO2, Al2O3, Sc2O3) and silica deposited by ion beam sputtering (IBS) as well as in multilayer microstructured components. The interest is established on the damage threshold metrology and the understanding of the mechanisms of damage initiation, the objective is to develop optical components of high laser resistance. We show that the damage threshold of mixtures in nanosecond regime increases with the volume fraction of silica and the bandgap as been seen in femtosecond regime. Nevertheless in nanosecond regime laser damage is initiated by nanoscale absorbing defects (precursors): the electromagnetic field distribution and losses in the thin films due to these defects, then the photo-induced thermal effects play a major role. Mie theory and a method based on the finite element method (FEM) are used to calculate the defect absorptivity and a heat diffusion model allows calculating the distribution of photo-induced temperature. We show that the critical temperature Tc dependent on band gap can be used to describe the evolution of thresholds. The band gap dependence of Tc is comparable to that of the plasma temperature found in the literature. A statistical model is capable of calculating the probability of damage versus fluences (energy density). Theoretical and experimental curves are compared, from which we can identify the precursors of very high absorptivity (metallic type) with sizes between 5 and 20 nm.