Développement de traitements multidiélectriques pour les lasers de haute puissance à impulsions femtosecondes

Depuis la description, par Einstein en 1917, du principe de l’émission stimulée, puis la première démonstration de l’effet laser, par Maiman en 1960, et les différentes évolutions de leur technologie, les lasers sont devenus indispensables dans notre quotidien (lecteur de code barre, lecteur CD, …), dans l’industrie (découpe , soudage, …), celui de la médecine (chirurgie réfractive, …) et dans la recherche scientifique (caractérisations des matériaux, physique fondamentale, …). La principale évolution des lasers se situe dans la puissance lumineuse qu’ils génèrent. Aujourd’hui le principal challenge des scientifiques est d’atteindre des puissances de plusieurs Petawatts (10¹⁵W). Pour cela, une énergie d’une centaine de joules (100J) est concentrée dans un temps extrêmement court d’une dizaine de femtosecondes (10⁻¹⁴s).

Pour générer et utiliser ces impulsions laser ultra-courtes et de très haute puissance, des infrastructures laser s’érigent petit à petit (Apollon 10P, Extrême Light Infrastructure, …). Or dans ces installations, le faisceau laser nécessite d’être distribué et transporté vers des chambres d’expériences. Pour cela on utilise des substrats sur lesquels on vient déposer un traitement couches minces de matériaux diélectriques afin de réaliser les fonctions optiques requises (réflectivité, transmission, etc.). Les travaux décrits dans cette thèse concernent l’étude de ces traitements pour répondre aux spécifications particulières du transport de faisceaux multipetawatt.

Pour mener cette étude, une collaboration a été mise en place au travers de cette thèse, entre Reosc, l’Institut Fresnel et le Laboratoire d’Optique Appliquée. Reosc est une société du groupe SAFRAN, filiale de Sagem Défense Sécurité, située à 35km au sud de Paris. Avec son effectif de près de 150 employés, dont 80% d’ingénieurs et de techniciens, Reosc dispose d’un panel de compétences lui permettant de concevoir, fabriquer, mesurer et intégrer des systèmes opto-mécaniques avancés à haute valeur ajoutée pour des applications spatiales, astronomiques, énergétiques et industrielles. Depuis les premiers développements dans les années 80 (laser Octal, Phebus, …) les traitements laser haute performance constituent une activité majeure du pôle Couches Minces Optiques de la société à la fois en recherche, développement et production.

L’Institut Fresnel, situé sur le campus Saint Jérôme à Marseille, est un laboratoire sous la tutelle de l’Université d’Aix-Marseille, du CNRS et de l’École Centrale Marseille. Les thématiques de recherches y sont la photonique, l’électromagnétisme et le traitement du signal et des images. Au sein du laboratoire, les recherches de l’équipe ILM (Interaction Laser Matière) portent sur la physique et les applications des phénomènes d’interactions laser/matière sous fort flux lumineux, principalement à travers l’étude de l’endommagement laser des matériaux et composants optiques. Les recherches menées traitent d’une part la compréhension des phénomènes fondamentaux de l’interaction laser/matière par le développement d’expériences et de modèles, et d’autre part la mise en œuvre de ces phénomènes pour des applications spécifiques.

Le Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA), situé sur le plateau de Saclay à Palaiseau, est sous la tutelle de l’ENSTA, du CNRS et de l’École Polytechnique. Ses activités de recherche couvrent un large spectre scientifique centré sur le développement et les applications de sources lasers ultrabrefs, la physique de l’interaction laser/matière et des plasmas, ainsi que la production de sources compactes de rayonnements et de particules énergétiques. Parmi les équipes de recherche, le groupe LHP (Lasers Haute Puissance) a pour mission le développement et la mise à disposition de sources laser haute intensité et/ou haute cadence innovantes. Cette synergie autour de la fabrication, des caractérisations et de l’utilisation de composants laser constitue un environnement idéal pour la réalisation de ces travaux.

C’est sous la forme de lumière que le cosmos libère son énergie. Dans le soleil en particulier, la température (15 000 000°C) et la densité de matière (150g/cm³ ) sont si élevées que les atomes d’hydrogène peuvent fusionner en un atome d’Hélium libérant ainsi l’énergie qui permet la vie sur terre. Alors que l’un des enjeux majeurs aujourd’hui pour notre société est justement de satisfaire notre besoin grandissant en énergie à travers une solution durable et responsable, les scientifiques du monde entier cherchent à démontrer les principes physiques de la fusion nucléaire, c’est à dire à reproduire artificiellement et de manière contrôlée, en laboratoire, les mécanismes de génération d’énergie naturelle du soleil. Cette démonstration a été réalisée par confinement magnétique et des progrès considérables sont attendus grâce au projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).[32] Cependant, étant donné la nature des enjeux, une autre approche est étudiée au sein de différentes installations à travers le monde . le confinement inertiel par laser. La physique de la fusion est également étudiée grâce aux installations du NIF [71] et du LMJ (Laser Mégajoule), [48] et la démonstration des principes physiques de la fusion nucléaire par utilisation de la technologie laser devrait être faite prochainement.

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Table des matières

Introduction générale
1 Contexte et état de l’art
1.1 Infrastructures laser de haute puissance
1.1.1 Sites et applications
1.1.2 Architecture d’un laser multi-petawatt
1.1.3 Challenges
1.2 Interactions laser/matière
1.2.1 Généralités sur l’interaction lumière/matière
1.2.2 Propagation d’une onde électromagnétique dans un milieu diélectrique
1.2.3 Mécanismes de l’endommagement laser en régime femtoseconde
1.3 Tenue au flux laser des matériaux couches-minces
1.3.1 Matériaux métalliques
1.3.2 Matériaux diélectriques
1.3.3 Miroirs haute-réflectivité
2 Mesure de l’endommagement laser
2.1 Métrologie
2.1.1 Le banc optique
2.1.2 L’échantillon
2.1.3 Procédure de test
2.1.4 Le seuil d’endommagement
2.2 Plateformes de tests
2.2.1 500fs-1030nm
2.2.2 40fs-800nm
2.2.3 10fs-800nm
3 Couches Minces Optiques
3.1 Conception de fonctions optiques
3.1.1 Généralité
3.1.2 Calcul du champ électrique
3.2 Fabrication
3.2.1 Préparation du substrat
3.2.2 Dépôt de couches minces optiques
3.3 Caractérisations
3.3.1 Propriétés physiques
3.3.2 Propriétés optiques
3.3.3 Propriétés mécaniques
Conclusion générale