Suivi et compréhension des événements de dommages laser dans l'optique - Partie 01

En 1962, le scientifique américain McClung FJ a signalé pour la première fois que le miroir en argent du résonateur laser à rubis présentait des dommages causés par la combustion des trous, ce qui était le premier rapport public sur les dommages causés par le laser aux composants optiques. L'invention ultérieure de la technologie de commutation Q et de la technologie de verrouillage de mode a augmenté la puissance de crête des impulsions laser de plusieurs ordres de grandeur. Le problème des dommages causés par les lasers traverse et affecte la conception et le fonctionnement des lasers, et favorise le développement de matériaux optiques et de technologies de fabrication de composants optiques. Dans les années 1960, la construction technique de la fusion par confinement inertiel au laser proposée par les États-Unis a été le point de départ d'une recherche systématique sur les dommages au laser des matériaux optiques en tant que discipline. Depuis 1969, la Society of Photo-Optical Instrumentation Engineer (SPIE) a créé la conférence annuelle sur les dommages laser des matériaux optiques, qui est une plate-forme importante pour les scientifiques du monde entier pour échanger les progrès de la recherche scientifique dans ce domaine . Il a été organisé chaque année par le National Institute of Standards and Technology (NIST) des États-Unis pour plus de 50 sessions à ce jour. Ces études ont résolu avec succès les différents problèmes de dommages au laser rencontrés dans le processus de construction d'une série de grands dispositifs laser de Shiva, Nova, Beamlet à NIF.

Dommages induits par laser sur  fenêtres de la cellule DKDP Pockels-WISOPTIC

Le problème central des dommages causés par le laser est le mécanisme d'absorption des composants optiques, c'est-à-dire de quelle manière et par quels canaux l'énergie laser est transmise aux composants optiques. Ce n'est que lorsque l'énergie est transférée entre le laser et les composants que le laser peut être endommagé. Le processus d'absorption laser des composants optiques est complexe et étroitement lié aux propriétés des matériaux et aux paramètres laser. Il existe principalement deux mécanismes d'absorption : l'absorption thermique et l'absorption non linéaire. La durée des impulsions laser est le principal facteur déterminant le mécanisme d'absorption. En termes d'absorption de chaleur, en 1970, le modèle d'endommagement induit par les défauts proposé par Hopper RW et Uhlmann D R expliquait que divers défauts introduits par le procédé de fabrication dans les matériaux transparents sont à l'origine des dommages laser induits par l'absorption de chaleur. Le contrôle des défauts est devenu le facteur clé pour l'amélioration des performances anti-endommagement laser des composants optiques, ce qui constitue la base théorique du mécanisme d'absorption de chaleur. Le modèle de dommages induits par les impuretés peut évaluer le seuil de dommage laser des matériaux, et le mécanisme d'explosion thermique du plasma induit par les défauts d'impuretés détermine en grande partie la taille des dommages induits par l'absorption thermique. En 2010, Carr et al. ont proposé le modèle de front d'onde d'absorption pour expliquer la relation entre la taille des dommages induits par les impuretés et les paramètres laser. En termes de mécanisme d'absorption non linéaire, le modèle d'ionisation multiphotonique proposé par Bloembergen N et la théorie de l'ionisation par avalanche proposée par Epifanov AS expliquent que lorsque la durée de l'impulsion laser est suffisamment courte pour achever le transfert d'énergie laser au système matériel par absorption thermique, le principal processus physique d'ionisation des électrons par les photons  pour métalliser les matériaux transparents est devenu la base théorique des dommages induits par laser à impulsions ultracourtes sur les matériaux optiques. La photoionisation comprend l'ionisation multiphotonique et l'ionisation à effet tunnel. La théorie de Keldysh est la plus largement utilisée dans les simulations théoriques de photoionisation car elle permet de calculer le taux d'absorption de tous les ordres de multiphotons. Sa solution analytique peut facilement calculer l'ionisation multiphotonique, et sa solution numérique est plus précise dans le calcul de l'ionisation tunnel. Les électrons libres générés par la photoionisation continuent d'absorber l'énergie laser par le mécanisme de Bremsstrahlung inverse et entrent en collision avec d'autres ions. Par conséquent, on pense généralement que la combinaison de la théorie de Keldysh de la photoionisation et du modèle de Drude de l'ionisation collisionnelle peut prédire plus précisément le seuil d'endommagement des matériaux.