L`endommagement laser des cristaux convertisseurs de fréquence

Transcription

L’endommagement laser des cristaux convertisseurs de
fréquence
Métrologie et Compréhension du phénomène
Laurent Lamaignère
Commissariat à l’Energie Atomique – CESTA
Département Lasers de Puissance
Laboratoire de Métrologie Optique
CEA/CESTA/Département Lasers de Puissance
JNCO 4 au 7 juillet 2011
1
Scénario de l’endommagement dans une chaîne laser
PROBLEMATIQUE
Q
• Formation de Piqûres sur les surfaces
et dans les volumes
Dégradation de la
tenue au flux du
composant
• Causes : défauts du matériau, points
chauds du faisceau, contamination
Croissance de la taille
Obturation du
faisceau
des dommages
Diffraction du faisceau par
les dommages
Mesure des
statistiques
d’initiation
des
dommages
Diminution
des densités
de défaut
Physique de
l’endommage
mentt
Mesure de la
vitesse de
croissance
des
dommages
Diminution de
la croissance
S i
Surintensités
i é en avall
Diffusion de
l’énergie laser
Dommages sur
D
les autres
composants
Compréhension et calcul de la propagation dans un
composant avec défauts
Définition des taux d ’endommagement acceptables
2
L’endommagement laser des cristaux convertisseurs de fréquence - Métrologie et compréhension
Sommaire
1.
Les procédures de test
Petits et Grands faisceaux
2.
La détection des dommages
Surfaciques & Volumiques
3.
Traitement des données – Illustration
4.
Quelques écueils
3
Métrologie de l’Endommagement Laser
1. Les Procédures de test
1.1 Petits faisceaux
1 on 1
S on 1
E
R on 1
E
N
(ISO 11254-1:2000)
11254 1:2000)
E
N
Rasterscan
dommage
N
(ISO 11254-2:2001)
11254 2 2001)
Δx
N sites à la fluence F1
Δy
4
[1] ISO Standard No 11254-1: 2000, ISO Standard No 11254-2: 2001
Δx
Δy
y
Exemple de test d’endommagement
20 sites/fluence and 9 fluences différentes
Probabilitéé
Flluence croissa
ante
F = 18 J/cm²
Probabilité
d’endommagement
Æ P = 10/10
1
F = 11
= 7/10
- Probability
d’endommagement
g
P(F)
( Æ) P⇔
Densité de dommages
g ρ((F)) [[dom./mm3]
PJ/cm²
=y f(Fluence)
Æ accés
au seuil
d’endommagement
F = 10.5
J/cm²
F = 10 J/cm²
de l’optiqueÆ
P = 5/10
Æ P = 3/10
ne prend pas en compte
F = 9…mais
J/cm²
Æ
les
propriétés
du
faisceau
(taille,
Æ
F = 7 J/cm²
forme,…)
P = 1/10
[[2]]
0.7
0.5
Seuil (LIDT)
0.3
P = 0/10
Fluence
[J/cm²]
0.1
0
7
9 10 11
13
16
[2] Lamaignère et al., Meas. Sci. Technol. 20, 095701 (2009)
5
1000,0
Probabilitéé d'endommagementt
Den
nsité de d
dommag
ges (/cm²²)
2° étape : Densité de dommages en fonction de la fluence
100 0
100,0
10
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
,
0,3
0,2
0,1
0,0
0
10
20
Fluence (J/cm²)
30
40
10,0
densité mesurée : δ m (F ) = α.(F )
β
1,0
0
5
10
15
20
25
Fluence (J/cm² @ 3ns)
Attention : p
pour comparer
p
les résultats entre différentes installations,, il existe les lois d’échelle temporelles
p
dépendantes du matériau étudié.
6
1.2 Grands faisceaux
Très peu d’installations à ce jour : de nombreux tests étaient réalisés auparavant sur le laser ALISE
au CEA .
Détection des dommages
16 mm
seuillage
Profil spatial
Correspondance Fluence
locale / Dommage
7
2. La détection des dommages
On distingue « autant » de moyens de détection des dommages que d’installations
d’endommagement
d
endommagement laser.
laser
Toutefois, les plus courants sont :
• Observation Post-Mortem
• Détection Temps Réel
8
• Macroscope
M
ett / ou
Microscope
• position,
• taille des dommages.
seuillage
• Appareil
A
il photo-numérique
h t
éi
Attention, tous les dommages amorcés sur l’épaisseur du cristal
sont ramenés sur un seul plan
plan.
9
P. DeMange et al, Rev. Sci. Instr. 75, 3298 (2004).
10
g
• Observation Temps Réel : au moyen d’un faisceau sonde
Bille d’arrêt
Lentille
Photodétecteur
Faisceau
pompe de la
table laser
• Diffusion
Macroscope
ou
Microscope
Faisceau sonde
• Obligatoire lors d’un test R/1
• Fortement conseillé pour un test S/1
11
• Observation Temps Réel : au moyen d’un
d un microscope.
Endommagement volumique
dans du KTP (Hildenbrand)
Microscope
Natoli et al, Applied
Optics. 41, 3156
(2002).
Montage expérimental à l’Institut Fresnel
• Obligatoire lors dd’un
un test R/1
• Fortement conseillé pour un test S/1
Endommagement volumique
dans du KDP (Reyné)
12
3 Dépouillement et traitement des données
3.
* Complémentarité et accord des procédures de tests 1/1 & rasterscan
1 on 1
E
Damage denssity (mm3)
100,000
Peu de sites
testés : fortes
probabilités
& fortes
densités
1/1
rasterscan
10,000
1,000
N
rasterscan
0,100
0 010
0,010
0,001
0
1
2
3
4
5
6
7
Grand
nombre de
sites testés :
faibles
probabilités
& faibles
densités
Vrai pour différentes formes – tailles de faisceaux ainsi que de durées d’impulsion, et longueurs d’onde.
13
3. Dépouillement et traitement des données
* Intervalles de confiance
Problématique :
les tests sont destructifs, ils ne peuvent pas être ni répétés sur la même installation, ni comparés avec
des mesures issues d’autres installations et sont représentatifs seulement d’une mesure réalisée sur un
composant
p
issu d’un lot.
des intervalles de confiance sont utilisés tenant compte du nombre de dommages détectés lors d’un
test et par conséquent du nombre de dommages minimum et maximum potentiellement attendus sur des
composants semblables.
Lamaignère et al, Rev. Sci. Instr. 78, 103105 (2007)
14
3 Dépouillement et traitement des données
3.
* Répétabilité des mesures
(a) Top-hat - 16ns
(b) Gaussian - 2.5ns
10
DKDP a
DKDP b
Dam
mage density (/m
mm3)
Dam
mage density (//mm3)
10
1
0,1
0,01
DKDP a
DKDP b
1
0,1
0
5
10
15
20
0
2
4
6
8
10
12
14
Fluence (J/cm² @ 2.5ns)
Fluence ((J/cm² @ 16ns))
3000
3500
2800
2600
3000
signal
2400
paramét rage
2200
2500
niveau de gris
2000
1800
2000
1600
1400
1500
1200
1000
1000
800
600
500
S106
400
S85
200
121
89
97
105
113
57
65
73
S43
S22
81
120
25
100
33
80
41
60
distance (pixe ls)
49
40
1
20
9
0
S64
0
17
0
S1
Vrai pour différentes formes – tailles de faisceaux ainsi que de durées d’impulsion, et longueurs d’onde.
15
* Reproductibilité des mesures
Loi d'échelle
en τ0.35
3
Damagee density ((/mm )
10
1
0,1
Top-hat - 16ns
Gaussian - 2.5ns
0,01
0
2
4
6
8
10
12
Fluence (J/cm
(J/cm² @ 3ns)
Dyan et al, Meas. J. Opt. Soc. Am. B 25, 1087 (2008)
Lamaignère et al, Meas. Sci. Technol. 20, 095701 (2009)
Avertissement
A
ti
t : la
l comparaison
i
d
de résultats
é lt t iissus d
de ttests
t à diffé
différentes
t d
durées
é d’i
d’impulsions
l i
d
doit
it s’appuyer
’
sur une modélisation
déli ti d
de
l’endommagement des différents cristaux étudiés.
16
* Complémentarité et accord des tests petit & grand faisceaux
100 000
100,000
Damage deensity (/m
D
mm3)
small beam
large beam
10,000
1,000
Loi d'échelle
en τ0.35
0,100
0,010
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Lamaignère et al, Meas. Sci. Technol. 20, 095701 (2009)
Avertissement : la comparaison de résultats issus de tests à différentes durées d’impulsions
d impulsions doit s’appuyer
s appuyer sur une
modélisation de l’endommagement des différents cristaux étudiés.
17
4 Quelques écueils
4.

(1) Tests en conversion de fréquence ou approche multi-longueur
multi longueur d’onde
d onde

(2) La polarisation du faisceau de test

(3) La conversion de fréquence durant le test

(4) Fatigue des matériaux

((5)) Aberrations du faisceau de test

(6) Walk-off

((7)) Les effets Non-Linéaires : Kerr ((autofocalisation),
), Brillouin,, …

(8) La propreté du composant et de l’environnement

…
18
4. Quelques écueils : 1. Tests en configuration multi-longueur d’onde
Etude multi
multi-longueur
longueur d’onde
d onde avec des impulsions 3ω and 1ω
Feq _ 3ω
8 J/cm²
J/cm @3ω
2 J/cm² @1ω
sexp = cst ≈ - 0.3
6 J/cm² @3ω
9.5 J/cm² @1ω
5
•
10
ρ (F3ω , F1ω ) ≠ ρ (F3ω ) + ρ (F1ω )
Ö
exp.: 0.01 (@5J/cm²) + 0.01 (@10J/cm²) ≠ 0.2 (3+1ω)
Reyné et al, Appl. Phys. Lett.. 96, 121102 (2010)
Effet de couplage entre les 2 longueurs d’onde
19
4. Q
Quelques
q
écueils
2. La direction de propagation du faisceau de test par rapport aux axes des cristaux
Reyné et al, Optics Express 17, 21652 (2009)
voir également les travaux de Yoshida et al, Appl. Phys. 70, 195 (2000).
20
4. Q
Quelques
q
écueils
3. Conversion de fréquence durant le test
Reyné et al, Optics Express 17, 21652 (2009)
SHG
21
4. Q
Quelques
q
écueils
4. Mesure sur 1 tir ou N tirs : effet de fatigue
Test S/1
(Norme ISO 11254-2:2001)
S on 1
E
Nombre de tirs
Δx
Δy
Hildenbrand et al, Applied Optics 48, 4263 (2009).
22
Quelques références
Normes pour les mesures d’endommagement laser
ISO standards: (ISO 11254-1:2000) & (ISO 11254-2:2001)
Les Techniques de l’ingénieur : Métrologie de l’endommagement laser
L. Gallais, R 6 738
Articles
J.Y. Natoli et al, Applied Optics 41, 3156 (2002)
Laser-induced damage of materials in bulk, thin-film, and liquid forms
P. DeMange et al, Rev. Sci. Instr. 75, 3298 (2004)
S t ffor evaluation
System
l ti off laser-induced
l
i d d damage
d
performance
f
off optical
ti l materials
t i l for
f large
l
aperture
t
lasers
l
L. Lamaignère et al, Rev. Sci. Instr. 78, 103105 (2007)
An accurate, repeatable, and well characterized measurement of laser damage density of optical materials
L Lamaignère et al,
L.
al Meas.
Meas Sci.
Sci Technol.
Technol 20, 095701 (2009)
Accurate measurements of laser-induced bulk damage density
A. Hildenbrand et al, Applied Optics 48, 4263 (2009)
Laser-induced damage investigation at 1064 nm in KTiOPO4 crystals and its analogy with RbTiOPO4
N. Sanner et al, Appl. Phys. A 94, 889 (2009)
Measurement of femtosecond laser-induced damage and ablation thresholds in dielectrics
N. Sanner et al, Appl. Phys. Lett. 96, 071111 (2010)
Toward determinism in surface damaging of dielectrics using few-cycle laser pulses
S. Reyné et al, Opt. Express 17, 21652 (2009)
Laser-induced damage of KDP crystals by 1w nanosecond pulses: influence of crystal orientation
S Reyné et al
S.
al, Appl.
Appl Phys
Phys. Lett
Lett. 96,
96 121102 (2010)
Pump-pump experiment in KH2PO4 crystals: Coupling two different wavelengths to identify the laser-induced damage mechanisms
23
4. Q
Quelques
q
écueils
5. Aberrations du faisceau de tests dans le cas des tests avec de petits faisceaux focalisés
((a)) Profils mesuré et théorique
q d’un faisceau à 1064 nm après
p
10
mm de propagation dans un cristal de KTP.
Evolution de l’intensité sur l’axe optique
p q au voisinage
g de la focale
pour différentes profondeurs de focalisation dans ce cristal de
KTP.
24
4. Q
Quelques
q
écueils
6. Effet de Walk-off
Propagation différente
ff
suivant les axes ordinaire et extraordinaire : effet
ff d’autant
’
plus important que le
faisceau de test est petit et l’épaisseur du cristal illuminé importante :
Cela se traduit par un niveau d’éclairement localement moindre dans le cristal que celui attendu.
Faisceau ordinaire
ρ
Lw
Faisceau extraordinaire
Cristal biréfringent
L
Pas de walk-off lorsque la direction de propagation est parallèle à
l’un des axes principaux du cristal.
25
4. Q
Quelques
q
écueils
7. Autofocalisation par effet Kerr
Augmentation de l’intensité maximale du faisceau par autofocalisation d’autant plus importante que l’indice
non-linéaire dans les cristaux est important.
26
Ph t d’un
Photos
d’ banc
b
d’Endommagement
d’E d
tL
Laser
St ffaisceau
Stop
i
Photodétecteur
Lentille
Laser Nd:YAG
L
Nd YAG
(Quantel)
Caméra CCD –
Analyse faisceau
Depuis la
table laser
Cellule rapide –
Durée d’impulsion
Vers le
Faisceau
sonde
composant
Contrôle
C
ô de l’énergie
’é
i
: λ/2 + polariseur
Détecteur
pyroélectrique :
mesure de ll’énergie
énergie
27
3. Dépouillement - traitement des données & Interprétation
Natoli et al, Appl. Opt. 41, 3156 (2002).
Modèle gaussien développé à l’Institut Fresnel :
- tous les défauts d’un même type ne s’endommagent pas à la même fluence (taille et absorption différentes),
Analyse des courbes :
- Densité de défauts,
- Différentes populations de défauts
28
Préambule
• Les besoins :
– Accompagnement aux développements technologiques,
– Mesures des performances des composants,
– Détermination de la durée de vie des composants (en mode opérationnel).
• Les difficultés :
– Les tests sont destructifs – 2 composants « identiques » sont différents :
• le test ne peut être répété sur le même banc ou sur une autre installation : Quid de la
répétabilité de la mesure !... Et de la reproductibilité !
– Les tests sont effectués en « petits » faisceaux, temporellement et spectralement
différents de « vrais » faisceaux :
• Quid de la représentativité !
• Les Objectifs : Répétabilité, Reproductibilité, Justesse & Représentativité
29