Généralités sur la mesure de l’endommagement laser

Pour effectuer des mesures de tenue au flux laser, il est nécessaire de définir un critère d’endommagement laser. Ce critère est subjectif, car il dépend de l’utilisateur et de ses moyens d’observation. On peut cependant distinguer des critères fonctionnels qui laissent une certaine tolérance à la dégradation (par exemple un miroir avec une réflexion spécifiée à 99.9% pourrait être déclarée endommagé lorsque cette réflexion se verrait baisser à 98%) et des critères physiques : toute modification irréversible intervenant après une irradiation laser détectable par l’expérimentateur. C’est ce dernier critère qui nous intéresse dans nos études. Nous voyons que suivant ce critère, la métrologie de l’endommagement laser va être conditionnée par les moyens de détection mis en œuvre. En effet, une modification visible avec un profilomètre optique ou un microscope à force atomique peut ne pas être détectable avec un microscope optique classique. Il dépend donc fortement des conditions d’observation et n’est pas universel. La norme ISO 21254 [31] définit comme technique de détection des dommages la microscopie Nomarski, avec un grossissement supérieur à x100. C’est ce que nous utiliserons dans nos études.

statistique est généralement nécessaire, du fait de l’inhomogénéité des matériaux. Cette mesure consiste à caractériser la tenue au flux des matériaux par leur probabilité d’endommagement en fonction de la fluence (densité surfacique d’énergie) incidente sur l’échantillon. Le principe consiste à irradier le matériau à différents niveaux d’énergie ou de puissance, puis à détecter dans chaque zone de tir s’il y a présence ou non d’endommagement. On peut ensuite tracer la probabilité d’endommagement, ou la densité de dommages sur l’échantillon en fonction de la densité d’énergie ou de puissance. L’existence d’une distribution aléatoire de centres précurseurs dans le matériau entraîne ainsi une dispersion dans les probabilités d’endommagement obtenues expérimentalement (voir la figure 2-1). La probabilité d’endommagement peut être liée à la probabilité de présence sous le faisceau laser d’un précurseur dont le seuil de claquage est inférieur à la fluence d’irradiation, la croissance de la fluence provoque de plus en plus de précurseurs puis conduit une grande probabilité de l’endommagement.

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Figure 2-1 Principe de base d’une mesure statistique : Np niveaux d’énergie laser sont choisis et N sites sont testés à chacune des p fluences. Cet échantillonnage du composant optique nous permet d’en déduire une probabilité d’endommagement laser

à chaque fluence.

Pour effectuer ces tests, différentes procédures existent, dont les principales sont Np F10 F8 F7 F6 N F5 F4 P=10/10 P=9/10 P=7/10 P=4/10 P=1/10 P=0/10 P=0/10 Fluence 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 Prob ab ilité d e l ’endo mma gemen t F9

définies par les normes 21254-1 et 21254-2 [31, 32]. Deux types principaux de tests de tenue au flux peuvent être distingués : la tenue à un tir laser et la tenue à une série de tirs laser, puisqu’une des spécificités du problème est l’évolution lors d’irradiations répétées. Nous allons maintenant détailler les procédures pouvant être utilisées.

2.2.1 Procédure 1-on-1

La procédure 1-on-1 est définie par la norme ISO 21254-1. N sites indépendants sont irradiés une seule fois, à une même densité d’énergie (voir la figure 2-2). De cette façon, la probabilité d’endommagement à une énergie donnée est n=N, où n est le nombre de sites endommagés. En répétant cette opération pour p fluences, nous obtenons une courbe de probabilité d’endommagement. Du fait du faible nombre de paramètres mis en jeu, cette procédure apparaît comme étant la plus simple à interpréter. C’est la méthode la plus couramment utilisée pour les mesures de seuils d’endommagement laser des composants optiques.

Figure 2-2 Fluence vue par un site lors d’un test d’endommagement laser en mode

1-on-1. Chaque site reçoit un seul tir à une fluence de consigne donnée.

2.2.2 Procédure S-on-1

La procédure S-on-1 est définie par la norme ISO 21254-1. Ce mode est similaire au 1-on-1, N sites indépendants étant irradiés pour chacune des p fluences. Par contre, la méthode d’irradiation des sites est différente. En effet, chaque site est irradié plusieurs fois par tirs successifs à la même fluence jusqu’à endommagement du site, ou jusqu’à ce qu’un nombre maximum de tirs soit atteint (voir la figure 2-3). Cette méthode permet d’obtenir, entre autre, le seuil d’endommagement d’un composant optique en tirs cumulés. Elle est de ce fait très utilisée pour les études d’évolution d’un matériau sous tirs répétés.

Puissance

1-on-1

Figure 2-3 Fluence vue par un site lors d’un test d’endommagement laser en mode

S-on-1. Chaque site testé reçoit plusieurs tirs à fluence constante.

2.2.3 Procédure R-on-1

Cette procédure consiste à irradier par tirs répétés N sites indépendants avec une rampe de fluence, jusqu’à observer un endommagement (voir la figure 2-4). De ce fait, nous obtenons une valeur du seuil d’endommagement laser (en tirs cumulés) pour chaque site testé. La méthode R-on-1 est aussi utilisée pour les études d’évolution d’un matériau sous tir répétés. Cependant, à cause du grand nombre de paramètres mis en jeu lors des tests (fluence de départ, pas entre deux fluences, pente de la rampe de fluence, ...), l’interprétation des résultats n’est pas aisée. De plus, le manque de norme rend les inter-comparaisons entres équipes très difficiles.

Figure 2-4 Fluence reçue par un site lors d’un test d’endommagement laser en mode

R-on-1. Chaque site testé reçoit plusieurs tirs à fluence croissante.

Puissance R-on-1 Temps Puissance S-on-1 Temps

2.2.4 Procédure Raster-scan

La méthode dite de "Raster-Scan" consiste à irradier, à fluence constante et de façon homogène, un composant optique par recouvrement de faisceau (voir la figure 2-5). Cette procédure est principalement utilisée pour tester les optiques de grande taille. En effet, la méthode vise à simuler un faisceau de grande dimension. Elle permet ainsi de révéler tous les centres précurseurs présents dans l’optique testée et s’endommageant à une fluence donnée. Le Raster-Scan est très utile pour détecter des centres précurseurs présents en très petite densité par rapport à la taille du faisceau d’irradiation, ainsi que pour déterminer le seuil fonctionnel des optiques. Cette procédure requiert l’utilisation d’un faisceau laser (top-hat, pour un recouvrement optimal de la surface à tester) présentant un profil très stable spatialement et temporellement afin de s’assurer une fluence constante tout au long du test, ainsi qu’un dépointage minimal.

Figure 2-5 Schéma de principe d’une mesure de tenue au flux laser en mode Raster-Scan à l’aide d’un faisceau Gaussien. La surface totale de l’échantillon est irradiée par recouvrement de faisceau, la fluence de consigne restant constante, afin

de "simuler" un test d’endommagement laser à l’aide d’un faisceau laser de grande dimension.