Fractures de surface des verres sous l'action d'un faisceau laser

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Submitted on 1 Jan 1968

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Fractures de surface des verres sous l’action d’un faisceau laser

J. Davit, J. Decoux, J. Gautier, M. Soulié

To cite this version:

J. Davit, J. Decoux, J. Gautier, M. Soulié. Fractures de surface des verres sous l’action d’un faisceau laser. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1968, 3 (2), pp.118-120.

�10.1051/rphysap:0196800302011801�. �jpa-00242834�

118

Grâce à l’emploi ^{de moteurs} asservis, la direction du déplacement de la croix est celle de la projection

horizontale d’un manche à balai tenu par l’opérateur ( fig. 2). ^Celui-ci peut ^accélérer

^ce

déplacement

^en

augmentant l’inclinaison du manche. Un champ

d’oculaire (8 mm) peut être parcouru à vitesse maxi- male

^en

12

s.

Quant ^{à la} précision ^{de la commande,}

on

peut, du fait de l’asservissement, déplacer le réticule de moins de 5 microns. La vitesse minimale du dépla-

cement est alors de 5 microns _par seconde.

Le poids ^et l’encombrement de l’ensemble ont été

réduits, ^autant qu’il ^était possible, ^afin d’éviter des contraintes

^sur

le microscope (fin. 3). ^Par rapport ^à l’oculaire d’origine, pesant ³⁶⁰ g, l’augmentation ^n’est

que de 380 _g.

Sur l’écrou est disposé,

^en

plus ^du pignon d’attaque

et du disque ^à impulsions,

^un

^{vernier servant}

^au

contrôle visuel.

Partie électronique.

^-

^Les circuits de comptage- décomptage ^et

^ceux

contrôlant la séquence ^des opéra-

tions de perforation ^sont classiques. Pour éviter des

erreurs

dues

au

déplacement ^du réticule, ^{donc à la} progression ^des compteurs,

^{au cours}

^{de la} perforation,

il

a

été prévu

^un

dispositif ^de sécurité, qui ^{arrête le}

mouvement à chaque ^{ordre de} perforation. ^Ce dispo-

sitif évite l’emploi onéreux de mémoires tampons.

Conclusion.

^-

Les auteurs remercient le Profes-

seur

P. Cüer _pour les encouragements ^et les conseils

qu’il ^leur

^a

prodigués lors de la réalisation totale de

cet appareil dans les Ateliers du Département ^de Physique Corpusculaire qu’il dirige ^à Strasbourg. ^Ils

remercient également M. Kauffmann qui

^a

^{étudié la} partie mécanique ^de l’appareil, ^{M. Oswald et}

^son

équipe ^de l’atelier de mécanique, ^M. Bergès ^et

^ses

collègues de l’atelier électronique.

FRACTURES DE SURFACE DES VERRES SOUS L’ACTION D’UN FAISCEAU LASER (1)

Par J. DAVIT, J. DECOUX, J. ^{GAUTIER et M.} SOULIÉ,

Centre de Recherches de la C.G.E., Division des Applications Optiques, Marcoussis (Essonne).

(Reçu le 6 novembre 1967.)

Résumé. 2014 Nous donnons les résultats d’un certain nombre d’expériences ^montrant que les fractures de surface des

verres

par

^un

faisceau laser de grande ^{densité de} puissance dépendent

de la qualité ^{de l’état de} surface du

verre

et des propriétés d’adsorption ^{de cette surface.}

Abstract.

²⁰¹⁴

We give the results of

some

experiments which show that the surface damage

of glasses by intense laser radiation depends ^{of the} optical ^{quality and} adsorption properties

of the glass ^surface.

REVUE DE

PHYSIQUE APPLIQUE

^TOME

3, JUIN 1968,

PAGE

118.

Les fractures produites ^{dans les}

^verres

par

^un

fais-

ceau

laser de grande ^{densité de} puissance ^{ont été}

étudiées _par

un

grand nombre d’auteurs [1 ^à 7].

Elles peuvent

^se

^classer par ordre de seuils croissants

exprimés

^en

watts/cm2,

^{en ne}

^retenant que les formes les plus simples, de la manière suivante :

-

Fractures internes

en

forme de disque [4].

-

Fractures de surface.

-

Fractures internes

en

forme de ligne [1]

^ou

d’étoile [6].

Une

cause

possible ^du premier type de fracture [5]

est la présence ^{dans le}

^verre

d’inclusions de platine

(1) ^{Contrat C.E.A. et D.R.M.E.}

provenant ^{soit du creuset,} soit d’enroulements chauf- fants par l’intermédiaire de la phase vapeur.

Lorsque ^le

^{verre a}

^{été bien} élaboré,

^ce

^{sont les}

fractures de surface qui limitent la résistance du

verre au

faisceau laser. Nous

nous sommes

plus particuliè-

rement intéressés à

ce

type ^{de fracture.}

Définition du seuil de surface.

^-

Le seuil d’endom- magement de la surface du

verre

est la valeur mini- male de la densité de puissance qui ^entraîne l’appari-

tion d’une boule de plasma

^au

^{contact de cette surface}

au

moment de l’irradiation;

^nous

l’appellerons ^seuil

de claquage.

D’autre part,

^nous

^dirons qu’il y

^a

fracture lorsque, après irradiation,

^on

décèle soit

^un

éclat, ^soit

^un

arrachement de matière à la surface du

verre.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0196800302011801

119

FiG. 1.

Conditions expérimentales.

^-

^Le montage ^utilisé

est le suivant (fig. 1) :

^:

-

L’oscillateur laser émet à chaque irradiation

une

énergie ^constante égale ^{à 3} J. ^La longueur ^d’onde

d’émission est de 1,06 y ^{et la} largeur d’impulsion

mesurée à mi-hauteur est de 30

ns.

-

Le calorimètre de

^{mesure a}

été étalonné _par rapport ^à

^un

calorimètre TRG modèle 107.

-

Le

verre

étudié est

sous

forme de plaquettes

40 X 40 X 4

mm.

-

Nous faisons varier la densité de puissance

^sur

^le

verre

étudié soit

en

déplaçant

^ce

^dernier par rapport

à la lentille, ^soit

^en

le laissant fixe ^et

en

introduisant des atténuateurs entre la séparatrice ^et la lentille.

Résultats expérimentaux. ^{-1. Le seuil de} claquage

a

été trouvé identique

^sur

^{la face avant et}

^sur

^{la face}

arrière des plaquettes (fin. 2). ^{Il est fonction de la} composition ^du

^verre.

^{Verre à} glace : 24 J/cm2, ^{30 ns;}

FIG. 2.

^-

Verre laser A :

Seuil de claquage ²⁸ J/cm2, ³⁰

^ns

(G

^x

0,5).

verre

laser A : 28 J/cm2, ^{30 ns;}

^verre

^{laser B :} 40J/cm2,

30

ns

(pâte ^à polir : oxyde de cérium _pour les trois verres).

2. Au seuil de claquage, c’est-à-dire quand ^il y

^a

apparition de la boule de plasma, ^les

verres se com-

portent de deux manières différentes :

- ceux comme

le

verre

laser A

ou

B qui présentent

une

marque circulaire que l’on décèle ^à l’oeil,

^en

dépo-

sant

une

figure ^de buée,

^{ou au}

microscope (fin. 3) ;

- ceux comme

le

verre «

f lotté » élaboré selon le

procédé Pilkington dont la face côté étain

ne

présente

pas de _marque.

FIG. 3.

^-

Verre laser A

:

Seuil de claquage ²⁸ J jcm2, ^{30 ns} (G

^x

230).

3. Pour les deux catégories ^de verre,

nous avons

montré que des irradiations répétées

^au

seuil de cla- quage entraînaient

une

fracture. On obtient ainsi _pour le

verre

flotté face côté étain la courbe ci-après

(fig. 4).

120

FIG. 4.

^-

Verre

^«

flotté

»,

face côté étain.

4. La fracture face avant

en

forme d’éclats est

différente de la fracture face arrière présentant

^un

trou

en

forme de cône.

5. L’analyse spectroscopique de la lumière émise par la boule de claquage ^montre que pour les

verres

de la première catégorie il y

^a

apparition ^{des raies}

de l’air et de celles des éléments composant ^{le verre,} tandis _{que, pour} le

verre «

flotté » face côté étain,

^on

obtient seulement les raies de l’air dans les mêmes conditions de

mesure.

6. Le ^{seuil de} claquage

^{sous un}

^{vide de 10-2 torr est} identique ^à celui mesuré à la pression atmosphérique.

7. Le seuil de claquage dépend ^{de la} pâte

^avec

laquelle

^on

polit ^le

^verre

^{et de la nature du} poli (poli métallographique : support drap,

^ou

poli optique :

support poix).

8. L’analyse ^à la sonde de Castaing ^{du centre des}

marques laissées

^sur

le

verre au

seuil de claquage ^n’a

révélé

aucune

inclusion néfaste pouvant

^en

^{être la}

^cause.

9. L’effluvage (« glow discharge ») [8], c’est-à-dire le bombardement ionique ^effectué préalablement

^au

dépôt d’une couche mince

^{sur une}

lame de verre,

^a

pour effet de diminuer le seuil de claquage. ^Nous

sommes

passés ainsi dans le

cas

du

verre

laser B de 40 J/CM2 ^{à 25} J/CM2.

10. En trempant ^le

^verre

^dans

^une

solution de

diméthyldichlorosilane, puis

^en

^le nettoyant ^à l’alcool,

on

élève le seuil de claquage. ^Nous

^avons

^{de la sorte}

élevé le seuil de claquage ^du

^verre

^{laser B de 40} J/cm2

à 60 J jcm2.

Conclusions.

^-

Les expériences ³ prouvent que c’est bien le claquage, c’est-à-dire l’apparition ^{de la}

boule de plasma, qui ^est responsable des fractures observées à des niveaux d’énergie plus ^élevés.

La qualité de l’état de surface du

verre a une

grande

influence

sur

le seuil de claquage. ^{En effet,}

^on

^abaisse

ce

seuil d’un facteur 1,5 ^{à 2} dans chacun des différents

cas

suivants :

-

Si la surface est recouverte d’un mince film de

graisse.

-

Si la surface est irrégulière macroscopiquement :

par exemple, lorsqu’on remplace ^le poli optique :

support poix, par le poli métallographique : support drap.

-

Si la surface de la lame étudiée

a

subi

un

effluvage

car

le bombardement ionique y provoque de petites piqûres ^visibles

^en

^{contraste de} phase.

Dans le

cas

d’une surface polie optiquement ^et parfaitement propre,

^{nous avons vu}

qu’on ^{élève le}

seuil de claquage

^en

remplaçant ^les groupements ^OH liés chimiquement ^à la surface du

verre

par des _grou- pements CH3. ^{C’est cette} propriété que confère

^en

effet

au verre

le traitement

au

diméthyldichlorosi-

lane [8]. Toutefois, le seuil de claquage

^se

^maintient

à 60 J/cm2 pendant quelques ^minutes après ^traitement

pour reprendre ^ensuite

^sa

valeur initiale.

Il est probable qu’au ^contact de l’air la surface du

verre se recouvre

à

nouveau

d’une couche adsorbée d’ions OH.

Le seuil de claquage ^d’un

^verre

semble donc bien relié

aux

propriétés d’adsorption ^{de la surface.}

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