Dommages volumiques causés par le laser dans le verre

Cette présentation correspond à la Section 14.2 du  Guide de Ressources en Optique Laser.

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La majeure partie de la littérature consacrée au seuil de dommage induit par laser (LIDT), y compris celle publiée précédemment par Edmund Optics®, s'est concentrée exclusivement sur les questions liées aux dommages surfaciques (Figure 1). Cette approche était justifiée parce que, historiquement, le LIDT des composants optiques était déterminés par les traitements diélectriques et la qualité de la surface, plutôt que par le dommage volumique.¹ Cependant, avec le développement récent des surfaces antireflets nanostructurées, les traitements diélectriques ne sont pas toujours nécessaires. Pour ces nouveaux éléments optiques, le LIDT se rapproche maintenant du seuil de dommage volumique du verre. En raison de l'absence de traitements, de contamination et de défauts de surface, la surface se décompose par le même mécanisme que dans le volume du verre.² Il est donc important d'explorer les causes sous-jacentes des dommages volumiques dans le verre optique pour mieux comprendre pourquoi le LIDT est tellement plus élevé pour les optiques avec la surface nano-structurée antireflets.

Figure 1 : Dommages surfaciques induits par le laser d'une optique laser avec un traitement antireflets traditionnel en couche mince. Les composants optiques non traités,telles que ceux dotés de surfaces antireflets nanostructurées, ont un LIDT plus élevé qui se rapproche de celui du substrat.

Les causes des dommages volumiques

Le LIDT volumique n'est pas seulement proportionnel à la puissance de crête du laser, mais dépend également de la longueur d'onde, du diamètre du faisceau et, surtout, de la durée de l'impulsion.¹ Pour comprendre intuitivement comment et pourquoi ces paramètres sont si importants, il suffit de regarder la probabilité d’absorption en fonction de la densité :³

Dans cette équation, W_i représente la probabilité qu'un photon soit absorbé et génère un électron dans la bande de conduction, $ \small{\phi} $ est la densité moyenne du flux de photons, et $ \small{\sigma} $ est la section transversale de transition, qui est elle-même fonction de la fréquence du laser, $ \small{\nu} $. Il est important de noter que si la section transversale de transition, qui est directement proportionnelle au coefficient d'absorption, est extrêmement petite sur l'ensemble du spectre optique pour la plupart des verres, elle n'est pas encore nulle. Par conséquent, lorsque l'intensité du laser est suffisamment grande, une absorption importante peut avoir lieu, ce qui entraîne un échauffement localisé. Ceci est particulièrement vrai pour les verres optiques qui contiennent des inclusions telles que le platine, qui peuvent être déposées au cours du processus de production.⁴

Le claquage optique (dommage volumique) se produit lorsqu'un nombre suffisamment important d'électrons sont excités de la bande de valence à la bande de conduction pour que la densité d'électrons libres dans le matériau soit suffisamment importante pour déclencher une absorption non linéaire induisant une ionisation par avalanche d'électrons.² La combinaison de l'absorption multiphotonique et de l'ionisation par impact pendant l'ionisation par avalanche approfondit la dépendance de la longueur d'onde du LIDT puisque la densité critique d'électrons libres est proportionnelle au carré de la fréquence du laser selon la relation suivante :⁵

Dans cette relation, $ \small{n } $ est la densité critique d'électrons libres, $ \small{\varepsilon} $ est la permittivité du matériau, $ \small{m_c} $ est la masse réduite d'un électron dans la bande de conduction, et $ \small{e } $ est la charge d'un électron.

Alors que le claquage thermique dû à l'ionisation par avalanche est la principale cause de claquage optique avec les lasers à déclenchement, ce n'est pas le cas avec tous les lasers pulsés. Pour les lasers à mode bloqué, avec des durées d'impulsion inférieures à environ 20 ps, un phénomène physique différent domine. Les impulsions des lasers à impulsions ultracourtes sont si courtes que le matériau n'a pas assez de temps pour se chauffer par absorption localisée. Au lieu de cela, les dommages optiques volumique résultent d'un processus connu sous le nom d'explosion de Coulomb. Une explosion de Coulomb se produit à partir d'une accumulation d'une force électrostatique suffisamment forte pour briser les liaisons moléculaires et provoquer une fracture du réseau à partir du champ électrique extrêmement élevé des impulsions laser ultrarapides.⁶

Mise à l'échelle LIDT

Durée d’impulsion

En règle générale, la LIDT due à l'ionisation par avalanche est à peu près proportionnelle à $\tau ^{\small{1/2}}_p $, où $\tau ^{\small{1/2}}_p $ est la durée de l'impulsion. En effet, le processus d'absorption multiphotonique est proportionnel au carré de l'intensité et, par conséquent, à la racine carrée de la durée de l'impulsion.¹ Une fois que les explosions de Coulomb deviennent le mécanisme de défaillance dominant, le LIDT n'est plus proportionnel à $\tau ^{\small{1/2}}_p $. Dans de tels cas, le LIDT continue à diminuer avec la durée de l’impulsion, mais à un rythme réduit.

Longueur d’onde

Le LIDT diminue également en fonction de la longueur d'onde, mais pas selon une proportionnalité directe. Au contraire, le LIDT résulte d'une convolution de la densité moyenne du flux de photons, de la section de transition et de la densité critique des électrons libres, qui dépendent toutes de la longueur d'onde. Par exemple, le LIDT volumique pour le dihydrogénophosphate de potassium (KDP) est de 24 $ \small{\tfrac{\text{J}}{\text{cm}^2}} $ à 1064 nm et une durée d'impulsion de 3ns ; à la première harmonique (532 nm), le LIDT tombe à 20 $ \small{\tfrac{\text{J}}{\text{cm}^2}} $, et à la troisième harmonique (355 nm), le LIDT est de 11 $ \small{\tfrac{\text{J}}{\text{cm}^2}} $, et à la quatrième harmonique (266 nm), le LIDT est de 3 $ \small{\tfrac{\text{J}}{\text{cm}^2}} $. ⁷ Il en résulte des facteurs d'échelle de 0,83 de 1064 nm à 532 nm, de 0,46 de 1064 nm à 355 nm et de 0,13 de 1064 nm à 266 nm, ce qui souligne la difficulté de déterminer un seul facteur de mise à échelle pour la dépendance de la longueur d'onde. La mise à échelle du LIDT de KDP en fonction de la longueur d'onde est comparable à celle d'autres matériaux optiques, comme la silice fondue sans traitement et traitée AR, dont il a été démontré qu'elle présentait un facteur de mise à échelle compris entre 0,42 et 0,56 entre 1064 nm et 355 nm.¹

Diamètre du faisceau

La relation de mise à échelle entre le diamètre du faisceau et le LIDT est encore plus difficile à prévoir. En effet, contrairement à l'intuition, un diamètre de faisceau plus petit ne se traduira pas par un LIDT plus faible. Il y a deux raisons principales à cela. Premièrement, le LIDT est spécifié par la fluence, qui est exprimée en unités de$ \small{\tfrac{\text{J}}{\text{cm}^2}} $; par conséquent, le diamètre du faisceau est déjà intégré dans la valeur. En fait, dans la plupart des cas, un diamètre de faisceau plus petit se traduit par un LIDT plus grand parce que le faisceau interagit avec un nombre plus faible d'inclusions dans le chemin optique. Bien que nous ne discuterons pas de ces effets en détail ici, il est essentiel de noter que la détermination de la taille réelle du point dans le matériau peut être assez difficile car les propriétés du faisceau gaussien doivent être prises en compte, ainsi que les effets non linéaires tels que l'autofocalisation.⁵ Vous trouverez plus d'informations dans notre note d'application Importance of Beam Diameter on Laser Damage Threshold application note.

Nombre de tirs

Le LIDT volumique peut dépendre du nombre de tirs incidents sur le verre. En effet, certains verres, comme le BK7, ont une durée de vie décroissante de la bande de conduction à la bande de valence suffisamment longue pour une accumulation d'électrons d'une impulsion à l'autre. Cela peut être observé expérimentalement en examinant le point de dommage volumique qui se produit pendant l'impulsion laser.⁵ Cependant, les matériaux ne présentent pas tous cette propriété. Par exemple, la silice fondue ne semble pas démontrer de corrélation entre le nombre de tirs et le seuil de dommage volumique.⁸ Il est utile de noter que les expériences menées aux laboratoires nationaux de Sandia ont montré que le LIDT volumique à un seul tir pour BK7 est de 4125 $ \small{\tfrac{\text{J}}{\text{cm}^2}} $, mais qu'après seulement 31 impulsions, BK7 tombe à 3289 $ \small{\tfrac{\text{J}}{\text{cm}^2}} $. En comparaison, la silice fondue reste constante à 3800 $ \small{\tfrac{\text{J}}{\text{cm}^2}} $ quel que soit le nombre de tirs.^{5, 8} Les deux tests ont été réalisés en utilisant une durée d'impulsion de 8 ns, un laser de 1064 nm, et des diamètres de point focalisé entre 8 et 16 μm au foyer, ce qui facilite une comparaison assez bonne entre les deux matériaux.

Notre Calculateur de mise à échelle des seuils de dommages induits par laser met approximativement à l'échelle une valeur de LIDT à partir d'une longueur d'onde, d'une durée d'impulsion et d'un diamètre de faisceau pour un nouvel ensemble de paramètres d'utilisation.

LIDT volumique de verres communs

Dans un communiqué de presse publié en 2013, SCHOTT a présenté une analyse assez complète du seuil de dommage volumique des verres optiques courants.⁹ Cette expérience a utilisé deux lasers de 1064 nm différents, l'un avec une durée d'impulsion de 12 ns et l'autre avec une durée d'impulsion de 74 ps. Dans chaque cas, ils ont rapporté le LIDT pour les harmoniques fondamentales et secondaires, fournissant quatre valeurs LIDT différentes pour chaque verre. Cette expérience a été menée avec un spot beaucoup plus grand au foyer, 33-41 μm, que les données présentées dans la section précédente, ce qui a donné un LIDT légèrement inférieure. De plus, les données de SCHOTT ont été mesurées en utilisant de la silice fondue Suprasil CG, alors que les données précédentes ont été recueillies avec de la silice fondue Corning 7940. Le tableau ci-dessous présente les résultats finaux pour le LIDT volumique de chaque verre, à plusieurs tirs (> 1 800 impulsions), rapportés par SCHOTT^{.9, 10} Les seuils de dommages apparaissant dans le Tableau 1 peuvent varier dans la pratique en raison d'une variété de facteurs, y compris la variation de la chimie du verre, l'épaisseur finie des composants optiques, etc. Les optiques peuvent également sembler endommagées en raison d'effets de surface, même si aucun dommage global induit par le laser ne s'est produit. Veuillez nous contacter si vous avez des doutes sur le LIDT d'une optique particulière.

Tableau 1 : Comparaison des LIDT pour les verres optiques courants utilisés dans les applications de lasers à haute puissance.⁹

Comprendre l’endommagement volumique induit par lasers

Maintenant que nous avons acquis une bonne compréhension des phénomènes physiques sous-jacents qui provoquent des dommages importants dans les matériaux optiques, du grand nombre de variables impliquées et des relations d'échelle, nous pouvons commencer à mieux comprendre les résultats présentés dans le Tableau 1. Les données montrent clairement que, comme prévu, le LIDT diminue de façon spectaculaire à mesure que la longueur d'onde et la durée d'impulsion diminuent. De plus, dans la plupart des cas (sauf pour le SF6 à 532 nm), le seuil LIDT volumique est bien plus élevé que le LIDT surfacique. Cela montre également qu'en général, les verres crown sont préférables aux verres flint pour les applications laser de haute puissance. En général, la silice fondue surpasse les deux catégories pour une large gamme de paramètres laser.

La différence entre le LIDT volumique et le LIDT surfacique devient encore plus marquée lorsqu'on la compare à une fenêtre laser en silice fondue typique à traitement en V, dont le LIDT est généralement de l'ordre de quelques dizaines de $ \tfrac{\text{J}}{\text{cm}^2} $. Il a également été démontré que pour la silice fondue, avec une surface bien polie et non traitée, le LIDT surfacique est approximativement égal au LIDT volumique.⁸ Par conséquent, le LIDT des optiques laser à silice fondue avec des surfaces antireflets nanostructurées est sensiblement plus élevé que celui des optiques traditionnelles à traitement en V.

En savoir plus sur le dommage induit par laser

• Notes d'application : Comprendre et spécifier le LIDT des composants laser
• Note d’Application : Laser Damage Threshold Testing
• Note d’Application : LIDT for Ultrafast Lasers
• Calculateur du seuil de dommage laser
• L’importance du diamètre du faisceau pour le seuil de dommage laser

 Références

[1] Koechner, W., 1999. Solid-state laser engineering (Vol. 1). Springer.
[2] Bloembergen, N., 1974. Laser-induced electric breakdown in solids. IEEE Journal of Quantum Electronics, 10(3), pp.375-386.
[3] Saleh, B.E. and Teich, M.C., 2019. Fundamentals of photonics. John Wiley & Sons.
[4] Bloembergen, N., 1970. Fundamentals of Damage in Laser Glass. National Materials Advisory Board Publication NMAB, 271.
[5] Kimmel, M., Do, B.T. and Smith, A.V., 2011, November. Deterministic single shot and multiple shot bulk laser damage thresholds of borosilicate glass at 1.064 micron. In Laser-Induced Damage in Optical Materials: 2011 (Vol. 8190, p. 81900Z). International Society for Optics and Photonics.
[6] Wang, D.N., Wang, Y. and Liao, C.R., 2015. Femtosecond laser micromachining on optical fiber. In Laser Surface Engineering (pp. 359-381). Woodhead Publishing.
[7] Rainer, F., Atherton, L.J. and De Yoreo, J.J., 1993, June. Laser damage to production-and research-grade KDP crystals. In 24th Annual Boulder Damage Symposium Proceedings--Laser-Induced Damage in Optical Materials: 1992 (Vol. 1848, pp. 46-58). International Society for Optics and Photonics.
[8] Smith, A.V. and Do, B.T., 2008. Bulk and surface laser damage of silica by picosecond and nanosecond pulses at 1064 nm. Applied optics, 47(26), pp.4812-4832.
[9] Schott AG. (2013) SCHOTT Identifies Alternative Glass Materials for High-Power Laser Applications [Press release]. 5 February. Disponible sur : <https://www.us.schott.com/newsfiles/us/20130204193642_schott_laser-resistant_optics_final.pdf>.
[10] Jedamzik, R., Dietrich, V. and Rossmeier, T., 2012. Bulk Laser Damage Threshold of Optical Glasses. In Proceedings of DGaO (Vol. 113, p. B9). 

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