Etude de la dépendance temporelle de l’endommagement laser de matériaux diélectriques à 1054 nm en régime sub-picoseconde et picoseconde.

Study of the temporal dependency in the sub-picosecond and picosecond regime of laser damage on dielectric materials at 1054 nm

• Auteur / Autrice : Alexandre Ollé
• Direction : Laurent Gallais, Laurent Lamaignère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière
• Date : Soutenance le 20/01/2020
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France) - Institut FRESNEL / IF
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Centre d'études scientifiques et techniques d'Aquitaine (Le Barp, France)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Destouches
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Gallais, Laurent Lamaignère, Nathalie Destouches, Inka Manek-Hönninger, Vincent Bagnoud, Dimitrios N Papadopoulos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Inka Manek-Hönninger, Vincent Bagnoud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers de puissance

Mots clés libres

Endommagement laser

Matériaux diélectriques

Impulsions picosecondes et sub-picosecondes

Laser damage

Dielectric materials

Sub-picosecond and picosecond regime

Résumé

Installé sur le centre du CEA-CESTA, le laser de puissance PETAL (PETawatt Aquitaine Laser) délivre des impulsions sub-picoseconde ou picoseconde pour des puissances crêtes de l’ordre du Petawatt. Afin que cette grande installation laser puisse pleinement exploiter son potentiel en générant des impulsions multi-petawatts, il est nécessaire d’étudier et de comprendre le phénomène d’endommagement laser des miroirs diélectriques de fin de chaîne qui limite la montée en énergie de l’installation. Cette thèse s’attache à étudier en particulier la dépendance temporelle de ce phénomène pour ces miroirs en régime sub-picoseconde et picoseconde en s’appuyant sur le banc d’endommagement laser DERIC fonctionnant dans ce régime temporel. Nous traitons ainsi des cas de l’endommagement laser intrinsèque, de l’endommagement laser sur défauts et de la croissance des dommages lasers. En confrontant expériences et simulations, nous montrons que la dépendance temporelle de l'endommagement intrinsèque ne s'explique non pas à l'aide de la durée d'impulsion seule mais à partir de tout le profil temporel d’intensité de l'impulsion. Ceci a notamment des conséquences importantes sur le concept de loi d’échelle temporelle du seuil d’endommagement intrinsèque de composants diélectriques, outil couramment utilisé par la communauté de l’endommagement laser pour la prédiction de ce seuil. Sur cette base et en tenant compte des fortes modulations du champ électrique causées par un nodule dans un miroir diélectrique, nous apportons ensuite des éléments de réponse pour expliquer la dépendance temporelle de l'endommagement sur défauts. Enfin, pour la croissance des dommages, nous plaçons l’étude de la dépendance temporelle au cœur d’une étude paramétrique expérimentale et numérique à partir de laquelle nous proposons une loi empirique de croissance qui prend notamment en compte la fluence d’irradiation, la durée d’impulsion et les modulations du champ électrique provoquées par tout dommage s’apprêtant à croître.

Located in CEA-CESTA, the laser facility PETAL (PETawatt Aquitaine Laser) delivers sub-picosecond to picosecond pulses with peak powers of the order of magnitude of one Petawatt. In order for this large facility to fulfill its potential with the generation of multi-petawatt pulses, the study of the laser damage occurring on dielectric mirrors at the end of PETAL chain is necessary as this phenomenon limits the energy available. Using the laser testing bench DERIC, this thesis deals specifically with the study of the temporal dependency of laser damage for dielectric mirrors irradiated by sub-picosecond or picosecond pulses. We thus tackle intrinsic laser damage, defect initiated laser damage and laser damage growth. By confronting experiments and simulations, we show that the temporal dependency of intrinsic damage is not fully explainable with the pulse duration alone but by taking into account the whole temporal profile of the pulse. In particular, this has important consequences on the concept of temporal scaling law of the Laser Induced Damage Threshold (LIDT) of dielectric components, a tool largely used by the laser damage community as a LIDT prediction means. Thanks to this study and by taking into account the high electric field modulations caused by a nodular defect within a dielectric mirror, we then bring answers to the temporal dependency of defect initiated damage. About damage growth, we lastly establish, thanks to an experimental and numerical parametric study, an empirical growth law which takes into account the fluence, the pulse duration and the electric field modulations generated by any initial damage prior to its growth.