Après application du procédé par laser CO2, les échantillons sont soumis à des tests de résistance au flux laser. Ces essais ont été effectués sur le banc d’endommagement laser LUTIN (Laser Utilisé pour des Tests d’Impulsions Nanosecondes) au CEA-CESTA (schéma figure 2.36) et ont pour but de tester nos procédés aux conditions d’irradiation représentatives de celles du LMJ (351nm, 3ns).
Figure 2.36 – Schéma principe du banc d’endommagement laser LUTIN.
La source laser est de type Nd :YAG impulsionnel triplé émettant à 355 nm, longueur d’onde sensiblement différente à celle du LMJ qui est de 351 nm. Cependant, cette légère variation de longueur d’onde n’a pas d’influence quant au comportement de la silice. La durée équivalente d’impulsion est de 2,5 ns. Cette durée est proche de la durée d’impul-sion du LMJ. Nous prenons en compte cette différence en appliquant une loi d’échelle temporelle (adaptée aux impulsions nanoseconde) [99] pour ajuster la durée d’impulsion à celle du LMJ (3 ns). Le faisceau est focalisé par une lentille de focale f = 5 m et la distance de Rayleigh obtenue est de 30 cm. Ainsi, l’épaisseur des échantillons testés ne dépassant pas 10 mm, la forme du faisceau est constante dans le volume de l’échantillon.
Le profil spatial du faisceau est proche de celui d’une gaussienne avec un diamètre à 1/e de 600 µm.
Au cours de cette thèse, différentes procédures de tests de tenue au flux ont été utili-sées :
— Sur la silice : nous avons appliqué la procédure 1-on-1, définie par la norme ISO 21254 [31]. Ce type de test consiste à illuminer à une fluence donnée un site du com-posant optique avec une impulsion laser (figure 2.37 (a)). Une observation permet d’identifier chaque site comme endommagé ou non. En répétant cette procédure sur N sites indépendants à une même fluence F, il est possible de connaître la probabilité d’endommagement Pdom = n/N; où n est le nombre de sites endom-magés. En modifiant la fluence et en répétant la procédure sur un même échantillon (figure 2.37 (b)), il est possible de construire une courbe de probabilité d’endom-magement (figure 2.37 (c)). On reporte sur cette courbe la probabilité obtenue à chaque fluence. Le seuil d’endommagement est défini à la fluence où la probabilité est nulle, ici F1.
Figure2.37 – (a) Représentation de l’énergie déposée par site pour une procédure 1-on-1, (b) N sites sont testés à chacune des fluences F (les sites endommagés sont représentés en rouge) et (c) courbe de probabilité d’endommagement déduite.
— Sur les cratères obtenus par le procédé laser : Une procédure 1-on-1 est également utilisé : chaque cratère est exposé à une fluence donnéeF. En répétant cette procé-dure sur différents sites, on obtient une probabilité d’endommagement Pdom pour un type de cratère à une fluence F. Les cratères formés lors du procédé par laser CO2 et la zone affectée thermiquement étant plus larges que la taille du faisceau de test d’endommagement (le diamètre du faisceau incluant plus de 80 % de la fluence maximum est d’environ 250 µm), certaines zones spécifiques ont été testées. En
ef-fet sur ces sites, la zone la moins résistance à l’endommagement laser est localisée autour du cratère. Les études précédant la thèse [79] ont montré que l’initiation des dommages, lors des tests de résistance laser sur cratère CO2, a lieu dans une zone en périphérie du cratère, sans défaut visible, mais soumise aux contraintes mé-caniques résiduelles (évoquées précédemment dans la partie 2.3.1 de ce chapitre).
Ainsi, pour tous les tests d’endommagement présentés dans cette thèse, nous avons ciblé ces zones. La zone de test pouvant être potentiellement limitée sur les échan-tillons, nous appliquons une procédure de traitements de données introduit par Jensen et al.[100] permettant de réduire les erreurs statistiques et les incertitudes de mesure en augmentant de façon fictive le nombre de données. Cette procédure est basée sur deux hypothèses :
— Un site non endommagé aurait également résisté à une irradiation avec une fluence inférieure.
— Un site endommagé aurait également été endommagé à une irradiation à une fluence supérieure.
Enfin, l’écart-type σPdom sur la probabilité d’endommagement Pdom est donné par [101] :
σPdom =Pdom
s1−Pdom
N Pdom (2.4)
On représente sur la figure 2.38 les écarts types obtenus à chaque fluence dans le cas de l’exemple précédent présenté sur la figure 2.37.
0
Figure 2.38 – Courbe de probabilité d’endommagement présentée sur la figure 2.37sur laquelle les barres d’erreurs ont été ajoutées.
2.7 Conclusion
Ce chapitre a présenté le dispositif expérimental qui été a mis en place au cours de cette thèse ainsi que les outils de caractérisations utilisés. Les procédures expérimentales
(mesures de propagation et tenue au flux), employées pour la validation du procédé de stabilisation par laser CO2 de larges dommages, ont également été introduites.
Ce dispositif expérimental présente deux voies d’irradiations permettant d’effectuer des études complètes des effets thermiques et mécaniques. En effet, il est possible d’effectuer des irradiations avec ou sans mouvement du faisceau laser et en modifiant la taille du faisceau. Nous avons également accès à une large plage de puissance disponible ainsi que des durées d’irradiation allant de la microseconde jusqu’à la seconde. De plus, une méthode basée sur l’imagerie de phase quantitative a été mise en place et évaluée. Elle nous permet de mesurer le profil complet, malgré les fortes pentes, des sites formés dans la silice avec une grande dynamique (quelques centaines de microns) et une très bonne précision pour également déterminer les rebonds en périphérie du cratère. De plus, cette technique a été adaptée pour permettre de localiser et quantifier les contraintes résiduelles dans l’échantillon, conséquent au procédé par laser CO2.
Ces outils expérimentaux sont particulièrement utiles pour les études numériques des interactions thermiques et thermo-mécaniques mises en jeu lors d’un procédé par laser CO2 à la surface d’un matériau de silice que nous allons maintenant décrire.
Chapitre 3
Étude des interactions thermiques et thermo-mécaniques mises en jeu lors d’une irradiation par laser CO 2 sur un matériau de silice
Sommaire
3.1 Introduction . . . . 79 3.2 Description du modèle thermique 2D . . . . 79 3.2.1 Hypothèses, géométrie et maillage . . . 79 3.2.2 Équation de la chaleur . . . 80 3.2.3 Paramètres thermiques de la silice . . . 81 3.3 Validation du modèle thermique 2D . . . . 82 3.3.1 Protocole expérimental . . . 83 3.3.2 Mesure par thermographie infrarouge de la température . . . . 83 3.3.3 Choix des paramètres du modèle . . . 84 3.4 Modélisation thermodynamique de la morphologie des sites
créés par laser CO2 . . . . 89 3.4.1 Calcul de la profondeur . . . 89 3.4.2 Calcul de morphologie du cratère . . . 94 3.5 Source de chaleur en mouvement, vers un modèle 3D . . . . 95 3.5.1 Modèle thermique 3D . . . 95 3.5.2 Comparaison à l’expérience . . . 97 3.6 Description du modèle thermo-mécanique 2D . . . . 98 3.6.1 Présentation du modèle . . . 98 3.6.2 Validation du modèle, comparaison aux résultats expérimentaux 102 3.6.3 Distribution de température fictive . . . 104 3.7 Mesure quantitative de la biréfringence . . . 106 3.7.1 Approche expérimentale . . . 107 3.7.2 Répétabilité des mesures. . . 108 3.7.3 Comparaisons avec les simulations . . . 109
3.8.2 Application aux sites traités par laser CO2 . . . 116 3.9 Conclusion . . . 123
3.1 Introduction
Nous avons présenté dans les chapitres précédents, le principe de la stabilisation par laser CO2 de sites endommagés. Ce procédé a montré son efficacité pour le recyclage des optiques en silice du NIF [70]. Le choix des paramètres d’irradiation utilisés lors du procédé, tels que la puissance, la taille du faisceau et le temps d’exposition, sont critiques. Ainsi, des travaux expérimentaux ont été menés pour améliorer le processus de stabilisation par laser CO2 par des études paramétriques, afin de trouver les paramètres optimaux [72], ou bien en développant de nouveaux protocoles [71, 75, 76, 81]. De plus, des travaux théoriques sur le comportement de la silice lors d’une irradiation par laser CO2 ont été effectués à partir de modèles numériques prenant en compte l’échauffement de la silice, son mouvement, l’éventuelle évaporation ainsi que la formation de contraintes [17, 77, 102, 103]. En effet, certains changements structurels importants se produisent au cours du processus de stabilisation : des contraintes résiduelles apparaissent dues à la relaxation de la silice provoquée par le chauffage laser suivi du refroidissement. Ces contraintes résiduelles sont particulièrement néfastes pour les composants optiques en silice du LMJ car elles peuvent modifier les propriétés optiques du verre et avoir une influence sur la résistance à l’endommagement laser. [79,102,104]
Ce chapitre décrit le modèle numérique qui a été développé au cours de cette thèse nous permettant de décrire précisément les interactions thermo-mécaniques mises en jeu lors d’une irradiation par laser CO2 sur un matériau de silice. Afin d’étudier le procédé de stabilisation de dommages, notre modèle prend en compte l’absorption, la montée en température et la cinétique de refroidissement du matériau. De plus, la génération et la relaxation de contraintes ainsi que formation du cratère sont simulées. Nous décrivons ce modèle ainsi que les comparaisons expérimentales qui ont été effectuées pour le valider.