Optimisation des capacités de détection et de suivi de la croissance de l'endommagement laser pour l'installation Laser MegaJoule

Optimization of laser damage detection and growth monitoring capabilities : application to the Laser MegaJoule facility

• Auteur / Autrice : Guillaume Hallo
• Direction : François Hild
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 09/01/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Ferrari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Amiot, Laurent Gallais, François Goudail
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Amiot, Laurent Gallais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Corrélation d'images numériques

Traitement d'images

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Laser Mégajoule

Mots clés libres

Laser MegaJoule

Endommagement laser

Contrôle de l'endommagement

Corrélation d'images numériques (CIN)

Diffusion lumineuse

Traitement d'images

Laser MegaJoule

Laser-Induced damage

Damage monitoring

Digital Image Correlation (DIC)

Light scattering

Image processing

Résumé

Les 176 faisceaux du Laser MegaJoule (LMJ) délivreront chacun, à terme, 7.5 kJ d'énergie à une longueur d'onde de 351 nm sur une durée d'impulsion de quelques nanosecondes. Dans ces conditions, les optiques en silice sont sensibles à l'endommagement laser. Les 176 hublots de chambre, en silice, de 34 mm d'épaisseur et de 40 cm de côté, assurent l'étanchéité au vide de la chambre d'expériences tout en permettant aux faisceaux laser d'atteindre la cible. Un système d'imagerie est utilisé pour acquérir quotidiennement des images in-situ des hublots. Cependant, la résolution spatiale des images est supérieure au diamètre des dommages dont la croissance est à contrôler. Le but de cette thèse est d'optimiser les capacités de détection et de suivi de la croissance de l'endommagement des hublots du LMJ. Cette optimisation est organisée selon 3 axes. Premièrement, une méthode d'estimation du diamètre des dommages à partir des niveaux de gris des images est introduite par la modélisation du système d'acquisition et le dépouillement d'une expérience d'étalonnage. Deuxièmement, un algorithme de corrections des images basé sur la corrélation d'images numériques a été développé pour corriger les perturbations des acquisitions et permettre le suivi in-situ de la croissance des dommages. Troisièmement, nous démontrons que l'analyse des niveaux de gris et du diamètre d'un dommage permet d'acquérir une information supplémentaire : sa croissance en profondeur, habituellement accessible par des méthodes plus complexes.

The 176 beams of the Laser MegaJoule (LMJ) facility are designed to deliver each one 7.5 kJ of laser energy at a wavelength of 351 nm over a pulse duration of few nanoseconds. Under these conditions, fused silica optics are particularly susceptible to laser damage. The 176 vacuum windows, critical fused silica components of the LMJ, with a thickness of 34 mm and a side length of 40 cm, ensure the vacuum tightness of the experiment chamber while allowing the laser beams to reach the target. An imaging system is used to acquire daily in-situ images of vacuum windows. However, the spatial resolution of the images is greater than the diameter of damage sites whose growth must be monitored. The aim of this thesis is to optimize the in-situ detection and monitoring capabilities of damage growth on the LMJ final optics. This optimization is organized in 3 parts. First, a method to estimate the diameter of damage sites from the gray levels of the images is introduced. Second, an image correction algorithm based on digital image correlation principles has been developed to correct for image disturbances and thus to in-situ monitor damage growth. Third, we demonstrate that the analysis of the gray levels and the diameter of a damage site allows an additional information to be extracted, namely, damage growth in depth, usually accessible by more complex methods.