Cours Fabrication optiques et endommagement

Tenue au flux des
composants optiques
Matériaux, surfaçage,
nettoyage
Formation Fresnel- Philippe Cormont
3 JUILLET 2013
5 juillet 2013
CEA | 10 AVRIL 2012 | PAGE 1
Quelle optique pour quelle application ?
Choix d’une optique suivant:
- sa fonction: focalisation, miroir, prélèvement…
- son utilisation: flux laser, environnement…
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 2
Exemple du LMJ…
Polariseur
Demi-tour
MT1
M1
PEPC
7 plaques
L1
ampli
L2
9 plaques
ampli
L4
L3
HTA
Injection
Section faisceau =
400mm x 400mm
MT2
MT3 à MT6 ...
verre laser
R1
ω
R3
Verre optique
ω
HC
LAE
silice
KDP - DKDP
LdP
KDP
DKDP
cible
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 3
& de la chaîne PETAL
Parabole
Mt4d1 et Mt4d2
déformables
Transport sous vide
M2 déformable
CROCO
MPA PETAL
Miroir segmenté
L1 et L4
ajustables en tirage
1er étage à l’air
2ème étage :
4 compresseurs
indépendants sous vide
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 4
Position du problème
L’endommagement laser, c’est quoi ?
Cas d’un composant optique traversé par un faisceau laser
(hublot, lentille, …) ou en réflexion (lame de prélèvement, …) :
Une optique
Faisceau laser
Création
d’un dommage
Le dommage peut être un dommage de volume, un dommage
sur la surface d’entrée ou sur la surface de sortie.
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 5
Position du problème
Hypothèse :
Pas d’effets N.L. (dans la mesure du possible)
Pas de traitement (dépôt sous vide, sol gel, …)
Le dommage peut être :
Un dommage de volume
→ Choix du type de matériau pour substrat
Un dommage sur la surface d’entrée
Un dommage sur la surface de sortie
→ Influence du procédé de surfaçage
→ Influence de la structuration de surface / Optique diffractive
→ Influence des conditions de « propreté »
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 6
L’endommagement laser, c’est quoi ?
NG11, 21 J/cm², 1053 nm, 3ns
UG11, 25 J/cm², 1053 nm, 3ns
Silice, 3 J/cm², 400 ps, 1053 nm
SURFACE
Silice 7980, 20 J/cm², 3ns,
351 nm
10 µm
Silice 7980, 5 J/cm², 351 nm, 2.5ns
(faisceau collimaté)
KDP, 532nm, ns (faisceau
focalisé)
Nd:YAG Ceramic, 1064nm,
9ns,
CaF2, qq J/cm², 400 fs, 1053 nm
Cu diamond turned, 10.6µm,
qq. J/cm²
CaF2, >10 J/cm², 900 ps, 1053 nm
Cu, 780 nm, 150 fs
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ZnSe, 10.6µm, qq. J/cm², 13 ns
SURFACE
VOLUME
UROH9, 30 J/cm², 1053 nm, 3ns (dommage
de volume sur inclusion – faisc collim.)
Un composant optique, de multiples étapes de fabrication
Plaque laser
Verre laser
Nd3+
Polissage plan &
cladding
Lentilles
Cristaux
Miroirs,
polariseurs
Optiques
diffractives
Silice
Croissance
KDP
Verre
Silice, verre
Polissage
sphérique
Usinage
Polissage plan
Polissage plan
Dépôt
sol gel
Dépôt
sol gel
Dépôt
sous vide
Gravure
Dépôt S.G. /
sous vide
Emballage
Stockage
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Contenu de l’exposé
Substrat et tenue au flux
- Choix des matériaux
Procédés de surfaçage
Défauts d’aspect et endommagement laser
Pollution et endommagement laser
Nettoyage, manipulations, stockage: à ne pas négliger
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 9
Contenu de l’exposé
Substrat et tenue au flux
- Choix des matériaux
Surfaçage et tenue au flux
- Procédés de surfaçage
- Effet sur l’endommagement (UV & IR, ns – fs)
Structuration de surface – Optique diffractive & tenue au flux
- Familles et procédés
- Endommagement laser (fs, et un peu ns)
Pollution (particulaire, organique) et endommagement
- Régime monocoup
- Cadence
- Exemple des réseaux
Manipulation et stockage
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Substrat & tenue au flux
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Les matériaux optiques
Solide, Transparent,
Ou utile pour transformer, rediriger ou modifier
la lumière dans le domaine de longueur d’onde d’intérêt
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 12
Les matériaux optiques
Les verres :
Verre optique
Verres spéciaux : verre laser, verre pour filtre coloré, verre technique
Matériaux à faible coefficient de dilatation thermique :
Silice
Quartz cristallin
Substrats de miroirs
Cristaux optiques :
Cristaux UV
Matériaux IR
Cristaux lasers
Cristaux hygroscopiques
Matériaux divers :
Plastiques
Céramiques
Métaux
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 13
Les verres
Le verre : matériau amorphe et vitreux
2 paramètres principaux le définissent :
L’indice n ~ pouvoir de refraction
Le nombre d’Abbe (ou constringence) ν ~ pouvoir de dispersion
ν =−
n −1
dn ∆λ
dλ
ν est généralement fourni dans le domaine visible
νd =
nd − 1
nF − nC
Avec λF=486,13nm, λc=656,27nm et λd=587,56nm
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 14
Les verres
Classement des verres par familles :
νd > 50 et nd > 1,6 ou νd > 55 et nd < 1,6 : verre crown
νd < 55 et nd > 1,6 : verre flint
Nomenclature des verres (Schott) :
F pour les flints
K pour les crowns
+ une lettre définissant le constituant principal ou des caractéristiques particulières
(eg. densité)
+ un numéro indiquant le n°du verre dans la série
Ex : BK7 verre crown au baryum n°7
LF5 verre flint léger n°5
Composition :
Crown typique (SK – crown dense 3.5 g/cm²) : SiO2, BaO. dans d’autres B2O3, La2O3
Flint typique : idem crown + PbO pour haut indice et haute dispersion
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 15
Les verres
Des verres équivalents existent chez différents fournisseurs :
BK7 SCHOTT=B1664 CORNING=BSL7 OHARA
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 16
Les verres & la tenue au flux
Mode de test 1/1, 1060nm, 3ns
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 17
Les verres & la tenue au flux
Mode de test 1/1, 1060nm, 3ns : seuil du volume
@ 351 nm, régime ns, en pratique tout verre < 5 J/cm²
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 18
Les verres
De nombreuses autres caractéristiques « optiques » ont
également leur importance notamment sous fort flux :
Bulles et inclusions (cf. verre laser)
Homogénéité d’indice (quantifiée par le grade)
Biréfringence
n2 : partie non linéaire de l’indice
dn/dT variation de l’indice avec la température
Absorption (cf. verres colorés)
L’éventuel effet de solarisation dans l’UV
…
Et la disponibilité dans la taille et les spécifications recherchées !!!
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 19
Verres spéciaux : filtres colorés
Les verres spéciaux : Les filtres colorés
Filtrage de longueurs d’ondes spécifiques
2 procédés pour colorer le verre :
Coloration ionique
Coloration thermique
En général fort CTE de 40 à 140.10-7K-1 donc attention lors du maintien de filtres
soumis à changement de t°
Casse par effet thermique aggravé par rapport ep/long souvent défavorable
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 20
Verres spéciaux : filtres colorés
Absorption & endommagement (surface)
3ns : TFL non ~ Absorption
NG11, 21 J/cm², 1053 nm, 3ns
UROH9, 30 J/cm², 1053 nm, 3ns (dommage
de volume sur inclusion – faisc collim.)
UG11, 25 J/cm², 1053 nm, 3ns
1060 nm, 3ns, 1/1, Hack et al App. Opt. 1983
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 21
Verres spéciaux : filtre colorés
Absorption & endommagement (surface)
0.7 ms : TFL ~ Absorption
Hack et al App. Opt. 1983
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 22
Verres spéciaux : le verre laser
Pour une émission @ 1µm : Dopage néodyme dans matrice phosphate
(++ laser, LHG8), silicate (--laser, LSG91H) ou fluorophosphate
(LHG10)
Mais technique classique de production : inclusions
Mises au point de techniques spécifiques de coulée continue sans
inclusions pour verre phosphate (programmes NIF/LMJ)
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 23
Verre laser LMJ
Des plaques lasers de 808 mm x 458 mm x ~ 45 mm de verre phosphate
dopé néodyme.
En grande quantité : ~ 4800 plaques pour LMJ
Une technique de coulée continue développée spécialement pour NIF &
LMJ par SCHOTT & HOYA → 2500 plaques par an
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 24
Verre laser LMJ
Homogénéité d’indice ~10-6
< 5 inclusions (<150µm)
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 25
Verres spéciaux : le verre laser
Campbell, SPIE 1761 (1992)
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 26
Verres spéciaux : le verre laser & effet des inclusions
Inclusions proviennent :
Des matériaux bruts utilisés pour la fabrication du verre
Des réfractaires & platine utilisés dans les fours
Taille qq. 10µm
Croissance lors de tirs lasers
Problème qui s’étend à tout verre, mais qq. verres possèdent
un grade « inclusion free » : BK7, borosilicate, …
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 27
Les matériaux à faible CTE
Verres = coefficient de dilatation thermique (CTE) élevé
Inutilisable pour certaines applications
matériaux à faibles CTE
Composants en transmission :
Quartz cristallin
Silice fondue ou synthétique
CTE - Cond Th.
5 x10-7 K-1
-
1,38 W/mK
Composants en reflexion (substrats miroirs) :
Pyrex (verre borosilicate)
ULE
(92% SiO2 + 8% Ti)
Cer-vit et Zerodur (céram.)
SiC
Be, …
30 x 10-7 K-1
0,1 x 10-7 K-1 (5°/35°) 1 x 10-7 K-1 (20°/300°) 25 x 10-7 K-1
~ 0 K-1
-
~1,3
1,31
1,6
180
~150
W/mK
W/mK
W/mK
W/mK
W/mK
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 28
Les matériaux à faible CTE : la silice
Utilisée pour la totalité des grandes pièces en transmission d’installation
laser de puissance : lentilles, hublots, réseaux, lames de phase, …
Avantages :
Forte tenue au flux @ 1,053 µm et 0,351 µm
Faible n2
Très faible absorption @ 0,351 µm
3 fournisseurs principaux : CORNING, SCHOTT, HERAEUS
Pour les applications lasers : silices synthétiques (oxydation SiCl4)
CORNING 7980
SCHOTT Lithosil ou HERAEUS Suprasil S312
Par opposition aux silices naturelles ou fondues (silice naturelle ou quartz
fondu)
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 29
Les matériaux à faible CTE : la silice
Seuil en volume très élevé en régime ns
Natoli, SPIE 5250 (2004)
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 30
Les matériaux à faible CTE : la silice
Seuil en volume très élevé en régime ns
Merkle, JAP 55 (1984)
Seuil en régime fs : voir surface & tenue au flux
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 31
Les cristaux optiques : cristaux lasers
Les cristaux sont utilisés en optique comme :
Matrice pour recevoir un dopant : cristaux lasers (lasers solides)
Transmission élevée VUV à IR : MgF2, CaF2, … pour hublots
Propriétés non linéaires utiles pour
Electro Optique
Acousto optique
OPO
Génération de seconde ou troisième harmonique (KDP/DKP)
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 32
Croissance en solution
germe
bain-marie
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 33
Les cristaux optiques : cas du KDP
Génération de seconde ou troisième harmonique (KDP/DKDP)
Par convention :
Z ≡ axe optique
Z
Doubleur type
I
φ = 45°, θ =
41°
Z
X
Y
Tripleur type II
φ = 0°, θ = 60°
X
Dimensions minimales pour
un rendement correct :
55 x 55 x 55 cm3
250 à 300 kg
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 34
Les cristaux optiques : cas du KDP
Endommagement volumique KDP tripleur @ 351 nm :
Endommagement sur défauts cristallins
Effet de conditionnement (ici @532 nm, 4ns)
Demange, SPIE 5337 (2004)
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 35
Les cristaux optiques : cas du KDP
Endommagement volumique KDP & DKDP tripleur @ 351 nm :
orientation cristalline & endommagement
Burhnam, AO 42 27 (2003)
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 36
Le surfaçage
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 37
Surfaçage : position du problème / ns
Seuil @ 1060 nm, ns ∼ constant qqsoit le verre
C’est l’interface et donc le type de procédé de surfaçage qui limite les
performances en ns
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 38
Surfaçage : dissymétrie FAV/FAR - ns
Composant en transmission – 2 faces de qualité similaire – ns, faisceau
collimaté → endommagement préférentiel de FAR
Calcul de E² aux interfaces montre que (Crisp APL 21 1972) :
Pour n>1, Texit<Tent → seuil de la face de sortie est plus faible
S’accompagne d’une différence de morphologie & de vitesse de croissance
liée à l’expansion du plasma lors de l’interaction
Papernov SPIE 7132 (2008)
Evolution TFL d’un surfaçage se fait en FAR
Norton SPIE 6403 (2007)
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 39
Surfaçage : cas des verres, silice, qq. céramiques, …
Fabrication Methods for precision optics, HY. K.
Karow, Wiley Interscience
Ébauchage
Rodage
Doucissage
Polissage
Retouche / Finition
(forme / TFL)
Post polissage
(TFL)
MRF, acidage,
RIE, …
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 40
L’ébauchage
Sciage & détourage :
….Mais avec des scies diamantées,
scies à fil
Ebauchage des faces
utiles de la pièces
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 41
Polissage planétaire
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 42
Polissage : quelques techniques
Double face
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 43
Polissage : quelques techniques
Robot
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 44
Polissage : quelques techniques
Le MRF
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 45
Surface d’onde & interférométrie
EQM
EQM
DSP
Courbure PV
PQM
Effets non linéaires
Énergie
0,001
Énergie
Endomgt
diffusion
0,1
Tache Focale
Trous de filtrage
1
10
100
Alignement
400
Période (mm)
Interféromètre Ø800 – Contrôle d’un
miroir de transport @ 1064nm / 45°°
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 46
Surface d’onde & procédés
Réseau 1w (Robot)
Hublot PEPC (Double face)
Réseaux 3w
(Double face)
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 47
Rugosité
EQM
EQM
DSP
Courbure PV
PQM
Effets non linéaires
Énergie
0,001
Énergie
Endomgt
diffusion
0,1
Tache Focale
Trous de filtrage
1
10
100
Alignement
400
Période (mm)
Rugosimètre optique
caractérisation d’une lentille LMJ
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 48
Rugosité & procédés
Robot
MRF
1.26 nm RMS
0.5 nm RMS
Pleine taille
1.13 nm RMS
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 49
Surfaçage : cristaux, certains métaux & céramiques…
Cas de certains cristaux
(KDP), céramiques et des
métaux
Ébauchage
Usinage
diamant
Usinage
diamant
1/2 finition
Finition
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 50
Usinage diamant mono point
• Pour les cristaux (KDP) : sensibilité thermique et structure polycristalline rendent
peu efficace le polissage classique.
• Dans ce cas, on utilise l’usinage diamant mono point (SPDT)
dépression
translation
de la plaque
• 2 étapes : 1/2 finition et finition qui se différencient suivant la profondeur de
passe.
• Lors de la finition, la matière est enlevée de manière plastique (ductile) donc
sans craquelures si Ppasse<Pcritique
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 51
Comment limiter l’initiation des dommages ?
Réduire l’initiation = éliminer les précurseurs à chaque étape
élémentaire du surfaçage
Ebauchage
Doucissage
Polissage
Post-polissage
Quels précurseurs : polluants induits par procédé, polluants
externes, micro-fractures, …
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 52
Surfaçage : cause potentielle de faiblesse de l’interface
Structure schématique de l’interface de matériau optique poli :
Couche de polissage
Zone avec micro
craqueleures - Subsurface
Damage (SSD)
Silice massive
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 53
Surfaçage : cause potentielle de faiblesse de l’interface
Couche de polissage (Beilby, Proc Royal Soc. 1903, 72a, 218) :
Due à physicochimie de l’étape finale de polissage
Qq. 10 à 100nm chargés en produits de polissage
Mesure TOF-SIMS sur échantillon de silice poli cérium
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 54
Surfaçage : cause potentielle de faiblesse de l’interface
Micro craquelures sous surfacique (SSD)
Induite par l’action des particules et meules sur surfaces fragiles
De l’ébauchage…
Microsocopie confocale en mode fluorescence sur SSD d’une pièce en
silice ébauchée au D181 (Neauport, Opt. Express 17, 5, 2009)
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 55
Surfaçage : cause potentielle de faiblesse de l’interface
Micro craquelures sous surfacique (SSD) / Suite :
… Au doucissage & polissage
Création de fracture au douci, poli à l’abrasif libre
(Suratwala, J. Non Crys Solids 2008)
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 56
Surfaçage : pollution par procédé & tenue au flux - ns
Surface chargée en produits de surfaçage (Ce, Al, Cu, …)
peut réduire la TFL :
Fort taux de cérium & 351 nm
Kozlwoski, SPIE 3244, 1998
Effet du taux de cérium inclus dans l’interface sur densité
de dommage @ 351 nm, 3ns. Silice polie (Neauport,
Opt. Express 13, 25, 2005)
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 57
Surfaçage : pollution par procédé & tenue au flux - ns
Surface chargée en produits de surfaçage (Ce, Al, Cu, …)
peut réduire la TFL :
Polissage MRF & effet du CI : utilisation d’un mélange cérium+CI → se
retrouve dans couche de polissage → impact possible sur seuil ns
60
MRF fused silica sample
MRF fused silica sample + wet etch
50
Fluence ( J/cm² )
40
30
20
10
0
0,001
0,01
0,1
Cum ulated probability
351nm, 3ns, mode R/1
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 58
1
Surfaçage : SSD & tenue au flux - ns
La réduction de la SSD à chaque étape de fabrication permet d’augmenter la
TFL @ 351 nm, ns : illustration par effet du procédé MRF
Menapace, SPIE Boulder 2001
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 59
Surfaçage : défaut d’aspect & TFL - ns
Outre l’interface, l’aspect de surface peut avoir un impact sur
l’endommagement.
Genin, JOSA A, 18, 10 (2001)
Bercegol, SPIE 7132 (2008)
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 60
Effet de l’acidage sur les surfaces en silice
Surface optique
polie
Enlèvement chimique
Surface optique
acidée
Acide Fluorhydrique
e
Rayure nondébouchante
Rayure
débouchante
Acidage:
Enlève la surcouche de polissage
Elargit les fractures
c .∆ t 1
c .∆ t 2
L’acidage ne réduit pas la profondeur des fractures
c .∆ t 2 | PAGE 61
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013
Acidage de rayures après tenue au flux
x50
x50
Acidage
x5
x5
Acidage
L’acidage révèle les fractures présentes sous la rayure ductile
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET
ce qui explique l’endommagement
2013 | PAGE 62
Acidage léger d’une optique de bonne qualité
Après acidage : 1 rayure +
piqûres
Avant acidage : 0 défaut
Acidage
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 63
Tenue au flux après acidage
L’acidage permet d’améliorer la tenue au flux des rayures
Suratwala, J. AM. Ceram. Soc.
(94 (2) (2010) 416-428
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 64
Surfaçage : … et le régime fs pour les dielectriques ?
En régime fs : absorption multi photonique → endommagement FAV gouverné
par propriétés intrinsèques du matériau
Stuart, JOSA B, 13, 2, 1996
Stuart, Phys Rev B, A996
Mero, Phys Rev B, 71, 2005
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 65
Surfaçage : … qq. mots sur les métaux ?
Cas de l’or @ 1053 nm (constat similaire sur Cu & Mb @ 9.3µm) : absorption
du métal & diffusion de la chaleur → dommage
Pas de diffusion de
la chaleur dans le
film → sublimation
Diffusion de la chaleur
dans le film métallique
→ ébullition
Stuart, JOSA B, 13, 2, 1996
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 66
Les composants diffractifs
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 67
Composants diffractifs
Structures binaires
Réseau transmission
Réseau réflexion
Structure 2N niveaux
Lentille de Fresnel
Lame de phase
Lentille diffractive
….
Structures continues :
Surface mécanique en nm
Max = 3733 nm
Lame de phase
…
→ Cf. polissage
41 cm
Min = -245 nm
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 68
Composants diffractifs : effet des procédés
Réseau massif dans silice
Exemple du procédé de fabrication par holographie
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 69
Et à quoi cela ressemble ?
Un réseau 3w LMJ, c’est :
~ 2400 t/mm
~ 400 nm de période
~ 800 nm de profondeur
Un réseau PETAL, c’est :
~ 1780 t/mm
~ 600 nm de période
~ 600 nm de profondeur
Mais gravé sur la couche supérieure
d’un miroir diélectrique…
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Composants diffractifs : effet des procédés - fs
Réseau de compression d’impulsion MLD – effet du nettoyage /
décapage sur le seuil à 10 ps, 1053 nm, TE
LLE Review 108
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Composants diffractifs : structure & surintensité - ns
La structure périodique crée des surintensités à l’interface qui jouent un rôle
dans l’endommagement / Réseau silice massive 2408 t/mm test @ 351 nm, 3 ns.
TM
TE
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Composants diffractifs : structure & surintensité - fs
La structure périodique crée des surintensités à l’interface qui jouent un
rôle dans l’endommagement / Réseau MLD 1780 t/mm test à 1053 nm,
500 fs, TE
Britten SPIE 5273 2003
Damage Threshold in beam normal (J/cm²)
6
5
y = 7,4643x
4
2
R = 0,9909
3
2
1
0
0
Neauport, Opt. Express 15, 9, 2007
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
1/F.E.
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Contamination & tenue au flux
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 74
Contamination organique & TFL : cadence - ns
20Hz, 1,06µm, ~0,5 J/cm², 20 ns
Dépôt organique photo induit sur fenêtre en quart → absorption →
endommagement
NB : bien souvent s’accompagne de perte de fonction optique
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Contamination organique & TFL : monocoup - ns
Silice polie, 351 nm, 2.5 ns, contaminant organique présent sous
forme de goutte en surface (DOP - condensable) :
Morphologie du dépôt organique peut induire endommagement laser << seuil
Ici dès 1 (FAV) à 5 J/cm² (FAR)
Bien-Aimé, A.O. 48 12 (2009)
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Contamination organique & TFL : monocoup - ns
Réseau silice massive 2408 t/mm focalisant – effet du
dégazage/migration de silicone dans le réseau – 351 nm, 3ns
→ Endommagement & perte de fonction optique
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Contamination particulaire & TFL : monocoup - ns
Silice polie avec particules déposées (dans environnement
laser) → irradiation à 355 nm / 2.5 ns ou 1064 nm / 6.5 ns
Palmier, Opt Eng 47 (2008)
→ Pas d’endommagement
→ Nettoyage laser
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Contamination particulaire & TFL : monocoup - ns
Verre laser, contamination particulaire & effet des flashes
Pas de tir laser
Brulure de la particule par l’effet des flash
Dommage si tir sur cette structure
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 79
Emballage et stockage
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 80
Puisqu’elles le valent bien !
Des optiques performantes
et résistantes au laser
…
mais fragiles,
sensibles à la pollution
et chères !
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 81
Contraintes intrinsèques
Lors des manipulations, du stockage et de l’utilisation,
il faut surveiller :
Chocs et tenue mécaniques
Chocs thermiques
Hygrométrie
Pollution chimique par contact
Pollution chimique par dégazage
Pollution particulaire
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 82
Chocs et tenue mécaniques (1/2)
Exemple des cadres de transport
Armature en polypropylène
Patin amovible
Flasque en polycarbonate
Butée élastomère
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Chocs et tenue mécaniques (2/2)
Tests des conteneurs
Tenue à la chute
Mesure des vibrations lors du transport
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Chocs thermiques et hygrométrie (1/2)
Témoin d’hygrométrie
sur les conteneurs
Précautions à prendre lors du stockage et du transport
Pour les optiques polies
Matériau
hygrométrie
Variation de
température par heure
KDP
< 40 %
<5°
Verre laser
< 1%
< 10 °
Silice
Pas de contraintes
Pour les optiques traitées: dépend du traitement, défini au cas par cas
Matériaux, surfaçage et tenue au flux | 11 JUILLET 2013 | PAGE 85
Chocs thermiques et hygrométrie (2/2)
Hublot en verre laser corrodé suite à une
hygrométrie trop importante
Clivage d’un polariseur LIL
Fracture sur plaque de verre laser suite
à un choc thermique lors du nettoyage
Clivage d’un miroir après
mise sous vide
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Pollution chimique par contact
Les optiques ne sont pas manipulées à la main mais uniquement avec des
outillages conçus spécifiquement
Table de transfert
Manipulation d’une plaque ampli
Outil de manipulation des optiques
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Pollution chimique par dégazage
Choix des matériaux proches des optiques : Les réseaux LMJ sont
stockés en PETG
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Conclusion
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Une liste (non exhaustive) des points à vérifier
Matière :
Verre : absorption, n2, inclusions, band gap (fs)
Cristaux : défauts structuraux, orientation cristalline
Surface :
Quid de l’interface du matériau optique poli (SSD, Beilby layer)?
Aspect de surface
Diffractive :
Résidus du procédé & seuil
Minimisation des surintensités
Environnement :
Organique : effet dégazage de matériau (stockage & fonctionnement)
Particulaire
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Résumé des exigences
Ne rien faire circuler au-dessus d’un composant optique non protégé.
N’avoir aucun contact physique direct avec le composant optique autre que
ceux spécifiés dans les modes opératoires
Proscrire toute projection humide sur les composants optiques non protégés
(sueur, postillons, aérosols, …).
Proscrire toute projection macro particulaire sur les composants optiques non
protégés (cheveu, cil, poil, squame, …).
Respecter scrupuleusement les environnements et précautions spécifiques
décrits dans les modes opératoires (niveau d’empoussièrement, température,
hygrométrie…).
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