Assemblage d’hétérostructures optiques amplificatrices pour les pilotes de laser de puissance

Bonding of laser material heterostructures for high-power laser front ends

• Auteur / Autrice : Thomas Dube
• Direction : Patrice Camy, Sébastien Montant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, optique et lasers, optoélectronique microondes robotique
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Druon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Druon, Ausrine Bartasyte, Mariastefania De Vido, Denis Balitsky
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Druon, Ausrine Bartasyte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers de puissance

Néodyme

Cristaux

Verres de phosphate

Matériaux optiques

Assemblages (technologie)

Mots clés libres

Hétérostructures optiques

Effets thermiques

Amplificateur laser

Déformation du front d’onde

Bonding

Phosphate glass

Optical heterostructures

Laser crystals

Neodymium

Thermal effects

Wavefront distortion

Laser amplifier

High-power lasers

Résumé

Les lasers de puissance, tels que le Laser Mégajoule (France) et le National Ignition Facility (Etats-Unis), ont recours au verre phosphate dopé au Néodyme pour l’amplification laser de forte énergie nécessaire à la réalisation d’expériences de haute densité d’énergie. En raison des contraintes thermiques générées lors du processus de pompage optique du matériau amplificateur, les amplificateurs d’une chaine laser sont contraints à un fonctionnement mono-coup sous peine de dégrader les propriétés de l'impulsion laser. A ce titre, le pilote, dont le rôle consiste à délivrer une impulsion laser à 1053 nm d'une énergie de 1 J dans une chaîne laser, est limité à une cadence de 1 tir / 5 minutes. L’augmentation de la cadence du pilote contribuerait entre autres à optimiser les performances de ces systèmes laser en termes de stabilité d’énergie et de temps d’alignement. L’élaboration de nouveaux matériaux et d’architectures d’amplificateur laser novatrices s’inscrit dans une démarche d’amélioration de ces performances. Ce projet de thèse repose sur l'étude de l'assemblage de matériaux optiques aux fonctions complémentaires, que sont l'amplification laser et le refroidissement. Cette thèse vise dans un premier temps à démontrer la faisabilité et l’intérêt de l'assemblage pour l’élaboration de matériaux laser hétérogènes capables de répondre aux besoins d’un pilote de laser de puissance. En premier lieu, plusieurs échantillons hétérogènes élémentaires ont été définis et fabriqués pour cette thèse. Une géométrie assemblée de taille centimétrique met en jeu un matériau à gain laser à 1053 nm et un à deux cristaux non dopés présentant une forte conductivité thermique. En identifiant différents critères matériaux, plusieurs compositions à base de verre et de cristaux ont été associées suivant différents protocoles d’assemblage. Le travail de cette thèse est consacré à la compréhension des effets thermomécaniques et optiques induits lors du pompage dans ces échantillons assemblés. Des premières mesures d’élévation de température et de déformation du front d’onde mettent en lumière une amélioration du refroidissement ainsi qu’une réduction et une modification de la déformation du front d’onde de l’impulsion. L’ensemble de ces mesures sont confrontées à un modèle de simulation numérique développé avec le logiciel COMSOL Multiphysics® au cours de la thèse. L’accord satisfaisant obtenu entre le modèle et les mesures expérimentales ouvre la voie à une interprétation de la déformation de front d’onde observée entre les hétérostructures de différentes compositions. Finalement, le modèle numérique recalé participe à l’élaboration de nouvelles architectures laser hétérogènes abouties qui sont capables de répondre aux besoins d’un pilote de laser de puissance.

High-power lasers, such as the Laser Mégajoule (France) and the National Ignition Facility (United-States of America), rely on neodymium-doped phosphate glass as the gain material to perform high-energy amplification of laser pulses required for high energy density experiments. Due to thermal stresses occurring within the laser gain material during the pumping process, the overall repetition rate of the amplification stages is limited to one shot every hour. As a matter of fact, the front end, which is responsible for the generation of a 1J nanosecond 1053nm pulse injected into a beamline, operates with a repetition rate of one shot every 5 minutes. Increasing its repetition rate while maintaining the same standard of laser performances is seen as a key objective in order to overcome long-lasting alignment procedures prior to an experiment and to achieve high-energy stability. The research dedicated to novel laser materials and innovative cooling architectures has been driving the development of new high-power laser concepts aiming to operate at higher repetition rates for the past 20 years. This project investigates the bonding of optical materials with complementary functions, such as laser amplification and heat mitigation. This thesis aims at establishing the proof-of-principle of laser material bonding applied to amplificationat 1053 nm and thermal effects reduction in a high-power laser front-end. As a first step, several primary bonded samples have been defined and prepared within the framework of this study. Various samples, based on laser crystals and glasses, were prepared following different bonding procedures. This thesis work delves into the understanding of thermomechanical effects occurring in bonded laser materials in a side-pumping configuration. Temperature rise as well wavefront measurements underscore a reduction of both thermal load and optical aberrations as well as an improvement of the wavefront distortion. These measurements are compared to a numerical model developed using the finite-element analysis software COMSOL Multiphysics®. The good agreement between the model and the experiments allows for an extensive comprehension of the different thermomechanical contributors to the optical aberrations of each bonded laser material. The numerical model paves the way for the conception of innovative heterogeneous laser material structures dedicated to a new generation of high-power laser front-ends.