Published October 18, 2019 | Version v1
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Visual defect impact on high power laser beam propagation

Description

Each beam of a high power laser facility, such as the Laser MegaJoule, is shaped and amplified thanks to hundreds optical components such as amplifier slabs at Brewster's angle, lenses, mirrors, phase plates, diffraction gratings... Of course, all these components cannot be perfect; there are some defects on their surface. These imperfections appear at each stage of the life of the component, during polishing, coating, or mitigation process or when the component is used on the facility. They have a huge impact on the energy losses delivered on the target and they decrease the resistance of downstream components to intense light. The ISO 10110-7 standard is currently used to specify the visual defects. However, this standard is poorly justified and do not fit a high power laser needs. In this thesis, we are focused on the fratricide effect. Light propagates through a defect, then, some intensity modulations appear along the propagation. The damage law states that high energy density leads to an increase of the damage probability. Firstly, we investigate the characteristic parameters of the defect morphology linked to the formation of downstream 'hot spots'. Then, the link between these typical parameters and the high intensifications are confirmed by experiments on real defects. Secondly, a power criterion is demonstrated to guarantee the linear propagation hypothesis. This criterion is compared to numerical simulations and it is shown how the nonlinear propagation, induced by Kerr effect, can be different between the 'hot spot' formed by a defect and a Gaussian beam. Finally, the results are used to improve the visual defect specification thanks to a better understanding of the fratricide effect. (author)

Abstract (French)

Chaque faisceau d'un laser de puissance, tel que le Laser MegaJoule, est mis en forme et voit son energie amplifiee a l'aide d'une centaine de composants optiques tels que des plaques de verre amplificateur, des lentilles, des miroirs, des lames de phase, des reseaux... Evidemment ces composants ne sont pas parfaitement realises et ils presentent a leurs surfaces des defauts de fabrication. Ces imperfections peuvent etre dues aux outils de polissage des composants, aux depots antireflet ou meme apparaitre au cours de la phase d'exploitation ou de remediation du composant. Ces defauts contribuent a une baisse des performances du Laser MegaJoule que ce soit au niveau de l'energie deposee au centre de la chambre d'experiences ou a l'endommagement accelere des composants optiques places en aval. Actuellement la norme ISO 10110-7 est utilisee pour specifier les defauts d'aspect. Cependant elle manque de justification pour les besoins d'une chaine laser de puissance. Dans le cadre de la these nous nous interessons exclusivement a l'endommagement fratricide local des composants optiques. Un defaut present a la surface du composant module l'onde lumineuse par phenomene de diffraction. Un 'point chaud' peut apparaitre dans le faisceau laser augmentant alors la densite locale surfacique d'energie appliquee aux composants suivants. La loi d'endommagement predit une augmentation de la probabilite d'endommagement puisque la densite d'energie est modifiee. Une premiere etude, fondee sur les equations de Fresnel, met en evidence les parametres interessants a specifier pour predire les intensifications engendrees par des defauts typiques. Le lien entre parametres du defaut et intensifications diffractees est, ensuite, validite experimentalement sur des cas reels de defauts. Une seconde etude etablit un seuil exprime en puissance en deca duquel l'hypothese d'une propagation lineaire, selon les equations de Fresnel, est valide. La coherence des resultats donnes par le seuil en puissance et par la simulation numerique renforce l'idee voulant que la propagation d'un 'point chaud' en presence d'effet Kerr soit sensiblement differente de celle d'un faisceau gaussien. Fort de ces deux resultats nous sommes en capacite d'etablir une specification des defauts d'aspect en ayant une meilleure comprehension de l'endommagement fratricide local

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Additional details

Additional titles

Original title (French)
Impact des defauts d'aspect sur la propagation d'un laser de puissance

Publishing Information

Imprint Pagination
213 p.
Report number
FRCEA-TH--17046

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
55086082
Subject category
S46: INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
AMPLIFIERS; COMPUTERIZED SIMULATION; DEFECTS; DIFFRACTION; ENERGY DENSITY; KERR EFFECT; LASERS; METROLOGY; MORPHOLOGY; PERFORMANCE
Descriptors DEC
COHERENT SCATTERING; DIELECTRIC PROPERTIES; ELECTRICAL PROPERTIES; ELECTRONIC EQUIPMENT; EQUIPMENT; PHYSICAL PROPERTIES; SCATTERING; SIMULATION

Optional Information

Notes
123 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses