Effet du DOP sur la silice nue –sans gouttes microscopiques

Les conclusions des expériences menées jusqu’alors tendent à confirmer l’effet micro- lentille. Par conséquent, il s’agirait d’un effet morphologique. Ainsi, nous avons voulu savoir quelle est la tenue au flux laser pour des fluences du même ordre, sur un échantillon en silice non-traité contaminé uniquement par du DOP et pour laquelle aucune goutte microscopique n’est observée.

Des substrats de silice non traités ont été étuvés pendant 24 heures dans une enceinte fermée en présence d’un bécher contenant 40 ml de DOP à 70°C et pression atmosphérique (cf. paragraphe 2.3.2). Il s’agit d’obtenir une atmosphère chimiquement agressive avec une pression partielle de DOP égale à sa pression de vapeur saturante. Des observations au

90

K. Awazu, “Ablation and compaction amorphous SiO2 irradiated with ArF excimer laser”, Journal of Non- Crystalline Solids vol. 337, p. 241, 2004

microscope Leica DMLM en objectif 20x réalisées en sortie d’enceinte confirment l’absence de gouttes de diamètre supérieure à 1 µm.

Nous utilisons des échantillons de référence propres ou étuvés pour les tests de tenue au flux laser, les analyses chromatographiques et les observations en microscopie à force atomique décrits ci-dessous.

 Analyses chromatographiques

La contamination organique volatile à la surface des lames est échantillonnée par extraction liquide c'est-à-dire mise en contact de la surface étudiée avec un solvant composé d’un mélange iso-volumique d’acétone (C3H6O, 67-64-1) et de chloroforme (CHCl3, 67-66-3)

en présence d’ultrasons. L’échantillon pollué est comparé à un échantillon de référence propre. L’analyse est ensuite réalisée sur couplage GC-MS Clarus 500 (Perkin Elmer) (cf. chapitre 2.4.1) par injection directe. Les paramètres analytiques importants sont les suivants (tableau 4-2):

Température injecteur 350°C

Colonne chromatographique BPX5 (25m/0,15mm /25μm)

Balayage en masse 40-525 uma

Tableau 4-2: Paramètres analytiques importants pour l'analyse GC-MS d'échantillons

Les résultats de ces analyses (tableau 4-3) comparent un échantillon contaminé en présence de DOP en étuve à un échantillon pris comme référence, qui a été exposé à l’air de l’étuve pendant une durée équivalente à une température identique.

Echantillons Type de pollution Rendement d’extraction estimé à 70%(ng)

Référence Etuvage 70°C / 24h 401

Contaminé Etuvage 70°C / 24h avec du DOP 1300

Tableau 4-3: Résultats des analyses GC-MS

Le DOP est présent sur l’échantillon pollué dans des proportions plus de 3 fois supérieures à l’échantillon pollué.

 AFM

Les observations AFM (figure 4-15) sont faites avant et après pollution sur un substrat de silice non-traité. Nous avons travaillé avec les mêmes paramètres expérimentaux et pour les mêmes conditions environnementales que ceux décrits dans le chapitre 3.2.3. L’amplitude d’oscillation est de 90% de l’amplitude libre. La même zone est observée pour des conditions expérimentales similaires.

Avant contamination, la silice est parfaitement visible. Après contamination, l’image de la même zone pour des conditions expérimentales identiques présente des artefacts. Il s’agit de traînées qui apparaissent préférentiellement au niveau des défauts de surface. Nous avons déjà démontré que ces artéfacts signent la présence d’une couche de contamination (cf. chapitre

3.2.3). Cette couche de contamination est constituée très probablement de quelques monocouches de DOP mesurées en GC-MS.

Figure 4-15: Observations AFM d’un substrat de silice avant et après pollution

 Tests de tenue au flux laser

Les expériences précédentes nous ont permis de valider la présence de DOP sur nos substrats et l’absence de gouttes microscopiques. Pour cette campagne, un échantillon de référence étuvé de diamètre 100 mm pour 10 mm d’épaisseur et un échantillon contaminé de diamètre 50 mm pour 5 mm d’épaisseur ont été comparés. Ils sont ensuite irradiés en rasterscan à basse fluence quelques heures après les avoir sortis de l’enceinte. L’échantillon étuvé a pour fluence de consigne 10, 12, 14 J/cm²@2,5 ns, et l’échantillon contaminé 12 J/cm²@2,5 ns. La répartition des tirs et les résultats de tenue au flux laser pour les deux échantillons sont donnés sur la figure 4-16. Les courbes ont une zone de recouvrement des tirs acceptable.

Résultats de tenue au flux laser

0,01 0,1 1 10 10 11 12 13 fluence (J/cm²) den sité de d ommages (/cm²) Contaminé Reference

Répartition des tirs, @ 355 nm & 2,5 ns

1 10 100 1000 10000 100000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 fluence (J/cm²) Nombr e de tir s Référence Contaminé

Figure 4-16: Comparaison des tests de tenue au flux laser d'un échantillon de silice nu de référence et d'un échantillon contaminé au DOP

Aucun dommage n’est détecté pour des fluences inférieures à 10 J /cm². Pour des fluences comprises entre 10 J/cm² et 13 J/cm², les densités de dommages sont comparables entre un échantillon de référence et un échantillon contaminé. Comme nous l’avions noté dans le chapitre 3.2.4, à basse fluence, il n’est pas possible de mettre en évidence de différence entre une lame propre ou contaminée. Pour se faire, il faudrait tester au flux de plus grande surface.

4.3.4 Conclusion

Nous avons montré qu’il n’y avait pas d’interaction chimique du DOP avec le substrat, ni photochimique après irradiation laser à 355 nm. Par ailleurs, nous confirmons que l’endommagement est bien causé par une fluence élevée suite aux analyses XPS. Grâce à des tests complémentaires, s’affranchissant de l’effet morphologique du dépôt (c’est-à-dire de la présence de gouttes microscopiques), nous montrons qu’à basse fluence, le DOP n’est pas un contaminant critique pour l’endommagement des optiques en silice. L’effet lentille de focalisation du faisceau laser par une goutte de DOP est donc la cause la plus probable d’endommagement de la silice dans cette étude. L’étape suivante consiste donc à modéliser la propagation du faisceau laser dans les deux configurations étudiées (gouttes en face avant et en face arrière). Il s’agit ensuite de valider dans le cadre de ce modèle que les fluences calculées à l’endroit des dommages sont bien compatibles avec un seuil d’endommagement de la silice en volume.

4.4 Modélisation

Nous avons considéré deux cas: les gouttes en face avant et les gouttes en face arrière. Les dommages n’apparaissaient pas forcément à la distance de focalisation du faisceau, mais souvent avant la focalisation. L’objectif de ce calcul est donc d’associer à la profondeur des dommages une fluence et de vérifier que cette fluence d’endommagement est compatible avec le seuil d’endommagement en volume de la silice.

L’indice du DOP (1,487@567 nm) étant proche de celui de la silice(1,476@355 nm), nous supposerons dans toute la suite qu’ils sont égaux et valent 1,48. De plus, l’analyse du profil de goutte nous a permis de valider que les gouttes sont des calottes sphériques.

Le logiciel Miró (disponible au CEA/CESTA) permet la simulation de la propagation et de l'amplification de faisceaux lasers de puissance dans des chaînes optiques de type Mégajoule ou NIF. Les effets physiques pris en compte sont principalement: l'amplification saturée, l'absorption, l'effet Kerr, la biréfringence et les aberrations. Les modèles de propagation vont de la propagation par l'optique géométrique de faisceaux parallèles à la diffraction de Fresnel. Ce logiciel nous a permis d’obtenir les profils de fluences aux profondeurs auxquelles les dommages ont été mesurés. Toutefois, il a fallut vérifier que nous faisions une bonne utilisation de ce logiciel. La procédure mise en place est décrite sur le schéma de la figure 4-17. Comme il existe une résolution analytique du profil d’intensité, nous avons comparé le profil d’intensité calculé par Miró avec celui obtenu analytiquement. Le logiciel Matlab est utilisé pour la résolution analytique. Pour ces calculs, les données d’entrée sont les caractéristiques de la goutte et du dommage. La prise en compte des aberrations induites par chaque système optique (goutte) sont calculés avec le logiciel d’optique Zemax.

Figure 4-17: Procédure pour la modélisation de l'effet micro-lentille lié à la présence de gouttes