Amélioration de la durée de vie des composants optiques pour lasers de puissance dans l'espace

Improving the lifetime of optics for high power lasers in space

• Auteur / Autrice : Amer Aoun
• Direction : Frank Rüdiger Wagner, Jean-Yves Natoli
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE
• Date : Inscription en doctorat le 02/01/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut FRESNEL - Sciences et Technologies de l'Optique, l'Electromagnétisme, et l'Image

Mots clés

Mots clés libres

Interaction lumière matière

Lasers de puissance

Contamination moléculaire

Contamination induite par laser

Laser matter interaction

High power lasers

Molecular contamination

Laser induced contamination

Résumé

Descriptif du sujet : L'outil laser ayant fait ses preuves sur terre, de plus en plus d'instruments embarqués sur des engins spatiaux (Chemcam, ALADIN, Pharao, SuperCam) utilisent et utiliseront des lasers de puissance pour réaliser des performances inatteignables avec des sources de lumières classiques. La durée vie de ces instruments reste une préoccupation, principalement dû à la « contamination induite par laser » (LIC : laser-induced contamination) qui est un cas particulier d'« endommagement laser » (LID : laser induced damage). La LIC crée des dépôts absorbants d'une épaisseur de quelques nanomètres sur les composants optiques utilisés par le laser qui détériorent fortement la performance des instruments. De manière qualitative elle peut être décrite comme une sorte de dépôt chimique en phase vapeur (CVD : chemical vapor deposition). Une première thèse sur le sujet a permis de mettre en place un montage expérimental dédié qui est maintenant validé et prêt à l'emploi. L'objet de ce deuxième travail de thèse est entre autre de tester par des expériences des hypothèses émis à la fin du travail précèdent et de passer du qualitatif au quantitatif au niveau des modèles. Il s'agit également de compléter les mesures, autant au niveau de la fabrication des dépôt LIC dans différentes conditions, qu'à leur analyse physico-chimique. Un point d'intérêt pourrait être aussi la compréhension des différentes méthodes de minimisation et de nettoyage de l'effet LIC. Ce travail comportera donc une partie expérimentale et une partie théorique et se déroulera principalement à l'Institut Fresnel à Marseille, France.

The laser as a key enabling technology has entered space applications since some time now. In particular, recent space missions carry instruments like Chemcam, ALADIN and SuperCam that use and will use high power nanosecond lasers in order to achieve performances that cannot be obtained with classical light sources. The lifetime of the high power photonics instruments however is still a critical point. The reason is mainly an effect named “Laser Induced Contamination” (LIC) due to polymers outgassing, which is a special case of multiple pulse Laser Induced Damage (LID). The LIC effect creates absorbing “layers” (or chemical deposits) of some nanometers thickness on the optical componentsthat are used by the laser. These deposits strongly reduce the performance of the instruments in particular if resonators are concerned. Qualitatively, LIC can be understood as a sort of Chemical Vapor Deposition (CVD) An experimental setup has been built and validated during the first PhD thesis on this topic and is now ready for more experiments and extensions. This new PhD project aims, amongst others, to check experimentally some hypotheses proposed by preceding work and to advance from qualitative models towards quantitative models. Another task is to complete preceding measurements in terms of fabrication of LIC deposits in different experimental conditions and in terms of the analysis of their chemical and physical properties. Another point of interest could be the comprehension of the different methods that minimize or clean the LIC deposits. This work thus comprises an experimental and a smaller theoretical part and will take place mostly at the Institut Fresnel at Marseille, France.