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Procédés de stabilisation de dommages laser

Inspection d'une optique en silice du Laser MegaJoule (Photo CEA) / Observation of a fused silica components for the laser MegaJoule (Photo CEA)Une des limitations du fonctionnement des grandes chaines lasers de puissance est la problématique de l’endommagement laser des composants optiques.
Différents phénomènes physiques qui dépendent à la fois des propriétés des matériaux, de leurs conditions de fabrication/préparation et des paramètres d’irradiation laser peuvent conduire à un amorçage de dommages sur la surface ou dans le volume, qui vont croître lors d’irradiations successives.
Ce phénomène limite la montée en puissance, affecte la durée de vie des composants optiques et le coût de maintenance des chaînes laser.
Pour remédier à cette croissance des dommages et augmenter la durée de vie des composants en silice, un procédé laser dit de « stabilisation » a été développé à l’Institut Fresnel dans le cadre d’une collaboration avec le CEA CESTA relative au projet Laser MegaJoule.
L’objectif est de traiter les dommages pour arrêter leur croissance sous tirs répétés afin de recycler les optiques endommagées.
Ce processus consiste en une fusion, suivie d’une évaporation locale, par dépôt d’énergie localisé par un faisceau laser CO2, de la zone fracturée de silice. Nous nous intéressons particulièrement à la stabilisation de dommages laser sur silice par un procédé de micro-usinage par laser CO2 dans le but de traiter des dommages de dimensions millimétriques.
Cette technique est basée sur une micro-ablation rapide de la silice durant laquelle le faisceau laser est balayé à la surface du composant afin de former un cratère de forme ajustable (prenant en compte la déformation du front d’onde) englobant le site endommagé.
Observation confocale d'un dommage laser sur un composant en silice. En vert : fractures sous surfaciques, en rouge : défauts luminescents. / Confocal observation of a laser damage on fused silica. In green : subsurface fractures, in red : luminescent defects
Un banc d’expérimentations est opérationnel à l’Institut Fresnel pour développer et étudier ce procédé. Différents travaux numériques et expérimentaux sont également menés pour valider et optimiser la technique en étudiant la physique de l’interaction laser CO2/silice.
D’autres expériences concernant le traitement de fractures liées au polissage, ou des défauts de fabrication de réseaux de silice sont également menées.
Cratère conique créé par procédé laser CO2 à la surface d'un composant de silice pour traiter un dommage / Conical crater made by CO2 laser processing at the surface of a fused cilica component to mitigate a laser damage
Contact : L. Gallais (laurent.gallais chez fresnel.fr)

Publications :

Doualle T., Gallais L., Monneret S., Bouillet S., Bourgeade A., Ameil C., Lamaignère L., Cormont P., ‘CO2 laser microprocessing for laser damage growth mitigation of fused silica optics’, Optical Engineering 56, 011022 (2017). Lien sur la revue : http://dx.doi.org/10.1117/1.OE.56.1.011022

Doualle T., Gallais L., Cormont P., Donval T., Lamaignere L., Rullier J.L.,’Effect of annealing on the laser induced damage of polished and CO2 laser-processed fused silica surfaces’, Journal of Applied Physics, 119 213106 (2016). Lien sur la revue : http://dx.doi.org/10.1063/1.4953146

Doualle T., Gallais L., Cormont P., Hebert D., Compis P., Rullier J.L.,’Thermo-mechanical simulations of CO2 laser–fused silica interactions’, Journal of Applied Physics, 119 113106 (2016). Lien sur la revue : http://dx.doi.org/10.1063/1.4944435

Doualle T., Hebert D., Combis P., Hecquet C., Gallais L., Rullier J.L.,’Comparison between fused silica of type II and III after surface heating with a CO2 laser’, Applied Physics A, 120 90 (2016). Lien sur la revue : http://dx.doi.org/10.1007/s00339-016-9606-9