Soutenance mémoire
Infrastructures laser de haute puissance
L’objet de cette partie est d’introduire le contexte dans lequel se sont déroulés ces travaux et d’en justifier leur intérêt. Les éléments cités sont largement extraits de communications des équipes des projets ELI et Apollon 10P. Nous invitons le lecteur à consulter directement ces documents s’il souhaite obtenir plus de détails sur ces infrastructures lasers.
Sites et applications
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 (table 1.1) : 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.
Les recherches sur le confinement inertiel par laser, menées majoritairement dans le cadre de financements par les départements de la défense, ont fortement contribué à l’évolution technologique des lasers depuis la première démonstration de l’effet laser en 1960 au Hughes Aircraft Laboratory. Petit à petit, les chercheurs ont pu disposer d’outils pour explorer la matière dans des régimes de plus en plus extrêmes (figure 1.1). Aujourd’hui l’Europe ambitionne à travers le financement du projet ELI (Extreme light Infrastucture) [63] de construire des infrastructures laser de grande envergure pour mettre à la disposition de la communauté scientifique mondiale les plus hautes puissances crêtes et intensités focalisées jamais créées.
ELI est la première installation dédiée à l’étude fondamentale de l’interaction laser/matière en régime ultra-relativiste (I > 10²⁴ W/cm2 ) avec l’objectif ultime de disposer d’un faisceau laser de 200PW. Afin de libérer l’ensemble des verrous technologiques, trois premières installations (table 1.2), appelées aussi “piliers”, sont construites dans trois pays différents avec des applications complémentaires aussi bien au niveau de l’architecture laser que des expériences. D’autres projets d’infrastructures laser de classe PW grandissent un peu partout dans le monde. Parmi elles on peut citer Bella aux Etat-Unis qui est le premier laser au monde ayant générée une impulsion de 1PW et le laser Apollon 10PW, inauguré le 29 septembre 2015, dont l’infrastructure sert de prototype aux lignes 10PW des piliers de ELI.
Architecture d’un laser multi-petawatt
Le laser Apollon 10P a pour ambition de mettre à disposition à la communauté scientifique une intensité supérieure à 2 × 10²² W/cm2 , grâce à un faisceau laser de 10PW de puissance crête obtenue à partir d’une énergie de 150J comprimée dans une impulsion de 15fs. Ce qui fait la spécificité du laser Apollon 10PW est la durée d’impulsion visée qui est plus courte que celle des autres infrastructures laser multi petawatts (20-40fs) et qui nécessite donc une maîtrise toute particulière du spectre de l’impulsion.
En effet, les challenges associés à la construction d’un système laser du niveau de complexité et de performances du système Apollon 10P résident en grande partie dans la tenue au flux laser des optiques à des durées d’impulsions ultra-courtes. En effet, comme nous le verrons par la suite, les mécanismes d’interactions laser/matière en régime d’impulsions femtosecondes diffèrent des mécanismes maintenant bien connus du régime d’impulsions nanosecondes. De plus, on notera que les spécifications en terme de tenue au flux laser sont bien plus élevées que le besoin théorique afin de sécuriser d’une part l’écart entre la résistance au flux laser mesurée sur une plateforme de tests et la résistance au flux laser dans les conditions réelles d’utilisation et d’autre part les éventuelles fluctuations d’intensité générales ou localisées du faisceau laser. Ensuite, de part les propriétés de la transformée de Fourier, la génération d’impulsions de plus en plus courtes nécessite des spectres de plus en plus étendus.
Les performances optiques des composants (par exemple la réflectivité) doivent être atteintes sur des larges gammes spectrales. Cette particularité des régimes impulsionnels ultra-courts nécessite également une maîtrise de la dispersion de vitesse de groupe (GDD) qui apporte une contrainte supplémentaire importante au design des traitements. Enfin, sur une installation de la taille d’Apollon 10P, le nombre important de composants ne laisse que peu, voire pas de place à un relâchement des performances de chacun. Bien sûr les acquis des développements des composants pour les lasers “nanosecondes” au niveau des procédés de fabrication constituent une solide base pour atteindre les objectifs fixés.
Interactions laser/matière
L’interaction laser/matière dépend fortement de la densité d’énergie ou de puissance à laquelle la matière est soumise (figure 1.1). De part leur spécificité, les mécanismes d’interaction aux faibles énergies sont utilisés dans de nombreux moyens de caractérisation de la matière (fluorescence, spectroscopie Raman, etc.) ou pour des expériences de physique à des niveaux d’intensité extrêmement élevés. Dans le cadre de cette étude, nous nous intéressons aux mécanismes qui interviennent lorsque la matière est soumise à des champs électriques d’intensité intermédiaire.
Généralités sur l’interaction lumière/matière
Dans un matériau la cohésion des atomes est assurée par la mise en commun d’électrons dans des liaisons plus ou moins directionnelles. Un électron parfaitement libre peut avoir n’importe quel niveau positif d’énergie. Dans un atome isolé, les électrons ont des valeurs d’énergie correspondant à des niveaux discrets. Dans un matériau solide, les électrons peuvent avoir des valeurs énergétiques continues dans des intervalles discrets. Les bandes permises et interdites d’un matériau sont définies selon les fonctions de Bloch, solutions de l’équation de Schrödinger. Selon le remplissage des bandes par les électrons, le matériau ne présente pas le même comportement électrique.
En effet, s’il existe une bande non remplie intégralement alors le matériau se comporte en conducteur. Si aucune bande n’est partiellement remplie alors le matériau est isolant. Le niveau de Fermi correspond à l’énergie la plus haute d’un électron dans l’état fondamental (c’est à dire une température de 0K). Cet état permet de classifier les matériaux selon leurs propriétés électroniques (figure 1.3). Les matériaux métalliques ont un niveau de Fermi dans une bande permise ce qui donne aux électrons une grande liberté, qui permet la conduction électrique, grâce aux états accessibles directement. Dans le cas où le niveau de Fermi se situe dans une bande interdite, dite “bandgap” alors le matériau est dit diélectrique. La bande remplie la plus élevée en dessous du niveau de Fermi est appelée bande de valence et la bande vide au dessus est appelée bande de conduction. Le cas où la bande interdite du matériau diélectrique est faiblement énergétique (<3eV) défini le matériau semi-conducteur.
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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
4 Tenue au flux laser de matériaux couches minces en régime femtoseconde
4.1 Études de matériaux diélectriques
4.1.1 Le dioxyde d’hafnium
4.1.2 Le dioxyde de silicium
4.1.3 Autres matériaux diélectriques
4.1.4 Bilan
4.2 Comportement des matériaux dans un empilement réfléchissant
4.2.1 Design
4.2.2 Fabrication
4.2.3 Caractérisations
4.2.4 Tenue au flux laser
5 Fabrication de composants pour lasers multipetawatt
5.1 Optiques réfléchissantes et semi-réfléchissantes
5.1.1 Traitements MLD et MMLD
5.1.2 Différentes formes de miroirs
5.1.3 Lames séparatrices et miroirs de diagnostics
5.2 Réseaux de diffraction
5.2.1 Conception
5.2.2 Fabrication
5.2.3 Caractérisations de l’empilement non structuré
5.2.4 Caractérisations du réseau
Conclusion générale
Bibliographie
