Procédés de stabilisation de dommages laser

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Lorsqu’un endommagement survient sur une optique lors d’un tir laser, il est possible, et souvent courant, que le phénomène s’aggrave lors des tirs ultérieurs. On parle alors de croissance des dommages. En effet de nombreux facteurs vont contribuer à rendre le site endommagé plus sensible à l’irradiation laser : contraintes fragilisant le matériau, débris, fractures engendrant des sur-intensifications du champ, création de défauts, augmentation de l’absorption du matériau… Cet effet de croissance peut rendre rapidement le composant inutilisable. Un seul défaut sur une optique peut donc être limitant pour certaines applications.


Exemple d’un dommage laser créé sur la face arrière d’un verre de silice, observé par microsopie confocale de fluorescence. Cette image met en évidence des fractures sous-surfaciques et des défauts luminescents sous la surface.

Pour traiter ce problème particulièrement rédhibitoire pour les grandes chaînes laser de puissance telles que le LMJ , nous travaillons en étroite collaboration avec le CEA depuis 2005 sur des procédés permettant de traiter les dommages et éviter leur croissance lors de tirs ultérieurs : on parle alors de stabilisation. Le principe des procédés mis en œuvre consiste à effectuer un traitement curatif sur les zones endommagées par fusion/évaporation locale par irradiation laser CO2. La mise au point de ces procédés fait appel à la modélisation des effets thermo-mécaniques, la mesure des propriétés de la silice à haute température, l’analyse des modifications du matériau liées à l’endommagement laser sur la silice, l’étude des modifications du matériau induites par le laser CO2, la mise au point de protocoles de dépôt d’énergie pour améliorer l’efficacité du procédé, des études des effets de modulation du front d’onde induits par les sites traités...


Principe du procédé : un composant endommagé par un laser impulsionnel présente des fractures plus ou moins profondes, une zone où le matériau a été modifié par les forts échauffements et contraintes lors de l’endommagement. Un laser CO2 continu focalisé va permettre d’évaporer partiellement et refondre cette zone endommagée. Au final, il reste un cratère sur le composant qui ne présentera pas de croissance lors de tirs ultérieurs.


Exemple de mise en œuvre du procédé. A gauche : observation du dommage avant traitement (vue de face et profil). A droite : le même site après traitement (tenue au flux supérieure à 12J/cm², 3ns, 355nm).

Références de nos travaux sur ce sujet :

  • Combis P., Cormont P., Gallais L., Hebert D., Robin L., Rullier J.-L., ’Evaluation of the fused silica thermal conductivity by comparing infrared thermometry measurements with two-dimensional simulations’, Applied Physics Letters, 101 211908 (2012).
  • Robin L., Combis P., Cormont P., Gallais L., Hebert D., Mainfray C., Rullier J.-L., ’Infrared thermometry and interferential microscopy for analysis of crater formation at the surface of fused silica under CO2 laser irradiation’, Journal of Applied Physics, 111 063106 (2012).
  • Cormont, P., Gallais, L. Lamaignère, L. Rullier J.L., Combis P., Hebert D. ’Impact of two CO2 laser heatings for damage repairing on fused silica surface’, Optics Express, 18 25 26068-26076 (2011)
  • Gallais L., Cormont P., Rullier J.-L., ’Investigation of stress induced by CO2 laser processing of fused silica optics for laser damage growth mitigation’, Optics Express, 17 26 23488–23501 (2009)
  • Palmier S., Gallais L., Commandre M., Cormont P., Courchinoux R., Lamaignère L., Rullier J.-L., Legros P., ’Optimization of a laser mitigation process in damaged fused silica’, Applied Surface Science, 255 10 5532–5536 (2009)
  • Cormont P., Gallais L., Rullier J.L, ’Procédé de traitement correctif d’un défaut sur la surface d’un composant optique pour laser de puissance’, French patent N° 09 56443 (2009).