Endommagement et nettoyage laser des optiques d'installations lasers de puissance

Le Laser Mégajoule (LMJ) est une grande installation de physique actuellement en exploitation au CEA-Cesta. Elle permettra d’obtenir et d’observer la fusion thermonucléaire. Le LMJ est constitué de plusieurs milliers de composants optiques de grandes dimensions (typiquement 400 x 400 mm). Ces composants, de qualité optique exceptionnelle, sont soumis à des énergies et puissances laser tellement intenses qu'ils peuvent finir par générer des dommages à leur surface.
Au sein d'un laboratoire en charge des études d'endommagement laser des composants optiques, vous serez emmené à travailler sur un banc laser, nommé MELBA, qui permet de reproduire à petite échelle les caractéristiques des faisceaux du LMJ et d'étudier le lien entre l'endommagement laser des composants optiques et la présence de particules conduisant à dégrader et perturber le faisceau au cours de sa propagation dans l'optique.
Au cours de cette thèse, en collaboration avec une équipe d’ingénieurs et techniciens :
- vous réaliserez les tests d'endommagement laser de composants optiques, présentant des défauts sur les deux faces. L'endommagement sera analysé sur la face de sortie et dans le volume du composant ; - vous réaliserez différents protocoles d'illumination afin de mettre en œuvre des procédures de nettoyage laser ; - vous développerez des outils statistiques permettant de relier une population de défauts aux probabilités d'endommagement ; - vous modéliserez la propagation du faisceau dans le volume de l'optique.
La thèse sera à dominante expérimentale mais également appuyée par des travaux de compréhension et de modélisation des phénomènes physiques mis en jeu. Les tests s’inscrivent dans la compréhension des mécanismes d’endommagement laser et ont, in fine, pour objectif de proposer des solutions conduisant à limiter la dégradation des optiques.
La thèse de déroulera principalement au CEA-Cesta. Le (la) doctorant( e) sera également encadré( e) par un professeur de l’Institut Fresnel à Marseille. La thèse est un partenariat entre le CEA-Cesta et l’Institut Fresnel. Ce dernier possédant des outils complémentaires de ceux qui se trouvent au Cesta, des séjours ponctuels y seront possibles.

Micro-sources laser à Cascade Quantique III-V/Si

Ce projet de thèse se concentre sur le développement de micro-sources lasers novatrices en combinant des matériaux de type III-V à Cascade Quantique avec des Cristaux Photoniques en Silicium. En intégrant ces technologies avancées, nous visons à créer des lasers hybrides émettant dans le moyen infrarouge. Cette approche présente des avantages significatifs pour la spectrométrie moyen-infrarouge (MIR), une technique cruciale pour la détection chimique de composés gazeux, solides et liquides.
Le laboratoire des capteurs optiques du CEA-LETI offre un environnement de recherche de pointe, où le candidat(e) aura l'occasion de concevoir, modéliser, fabriquer et caractériser ces dispositifs. Cette thèse s'inscrit dans un contexte compétitif, mais prometteur, où les avancées technologiques pourraient ouvrir de nouvelles perspectives dans des domaines tels que le "bien-être et l'environnement". Pour les étudiants de Master 2 passionnés par la photonique et les technologies émergentes, cette recherche offre une opportunité de contribuer activement à l'innovation dans un domaine en plein essor.

Mise en forme de fronts d'onde optiques pour la photobiomodulation - Application aux maladies neurodégénératives

La photobiomodulation consiste à utiliser la lumière, le plus souvent dans la gamme visible/proche-infrarouge, pour traiter ou ralentir l’évolution d‘une pathologie. Dans le cas de la maladie de Parkinson, une maladie neurodégénérative sans traitement curatif à ce jour, la zone du cerveau responsable des symptômes se situe au niveau du mésencéphale, une région profonde du cerveau, ce qui nécessite d’implanter un dispositif médical optique par des techniques neurochirurgicales. A Clinatec, plusieurs patients ont été récemment implantés avec un tel dispositif, faisant suite à de nombreuses années de recherche précliniques ayant montré le potentiel de la technique. A ce jour la propagation des photons dans les tissus cérébraux est dominée par la diffusion, avec pour conséquence un rendement faible et une stimulation optique de zones non-souhaitées. L’objectif est de contraindre le mécanisme de diffusion en jouant sur le front d’onde optique, avec une visée clinique intracérébrale.
Il s’agit d’une technique publiée en 2007 par Vellekoop, qui consiste à moduler l’amplitude et la phase d’une source lumineuse cohérente pour prendre en compte la diffusion des photons et ainsi parvenir à focaliser la lumière dans ou derrière les tissus. Le but final est de n’éclairer que la zone souhaitée du cerveau. Les travaux de thèse associeront des développements expérimentaux et fondamentaux en optique, notamment sur la mise au point de la boucle de rétroaction (mesure de l’onde photoacoustique générée par des pulses lumineux), mais aussi en simulation numérique. La thèse aura lieu sur le site du CEA LETI, à Grenoble, entre l’institut Clinatec et le Département d’Optronique du LETI et sera dirigée par un laboratoire universitaire spécialiste du domaine (le LiPhy).

Etude et quantification des propriétés optiques du combustible nucléaire : vers une meilleure connaissance de l’interaction laser/matière

La production d’électricité d’origine nucléaire revêt aujourd’hui une importance accrue pour la lutte contre le changement climatique et l’indépendance énergétique. Dans ce cadre général, cette thèse s’inscrit dans une démarche visant à améliorer la compréhension des propriétés thermophysiques et du comportement sous irradiation des combustibles nucléaires, dans des conditions de fonctionnement normales ainsi que lors de scénarios d'accidents hypothétiques. Pour réaliser cet objectif, l'utilisation innovante du chauffage par laser est employée. Les techniques laser permettent non seulement de caractériser précisément les propriétés des combustibles nucléaires irradiés (ou neufs), mais également de les solliciter sous des gradients thermiques spatiaux et temporels contrôlés afin d’étudier les mécanismes de base affectés.
La connaissance précise des propriétés optiques des matériaux, régissant notamment le couplage du faisceau avec le substrat considéré, est cruciale dans les expériences de chauffage par laser. Cependant, ces données sur combustible nucléaire sont rares, complexes à mesurer et reportent des valeurs assez différentes. Cette thèse vise à progresser sur cette thématique, notamment en ciblant les matériaux d’intérêt. On s’appuiera pour cela sur une démarche combinant expérimentation et modélisation pour quantifier les propriétés optiques des matériaux nucléaires, de la température ambiante jusqu’à la fusion.
La thèse sera menée dans un cadre collaboratif (CHAIRE MATLASE) entre le LAMIR (Laboratoire d’Analyse de la MIgration des Radioéléments) au sein du Département d’Etude des Combustibles (Institut IRESNE, CEA-Cadarache)et l’équipe ILM (Interaction Laser Matière) de l’Institut Fresnel de Marseille, qui apportera son expertise dans le domaine des interactions laser de forte puissance / matériaux et de l’instrumentations optique pour le développement du système et des diagnostics optiques complexes.
Ce cadre permettra au doctorant d’évoluer dans un environnement scientifique stimulant et lui permettra de valoriser ses travaux de recherche, en France comme à l’étranger.
Le candidat ou la candidate recruté(e) devra être diplômé(e) d’un master ou d’un titre d’ingénieur dans le domaine de l’optique, de la photonique, des procédés laser et/ou matériaux.

Inscription de Guides d’Onde dans les Fibres Optiques en Silice et en Saphir et Etude de leurs Stabilités Thermiques

Les réseaux de Bragg sur fibres optiques, sont des structures photo-inscrites de motifs périodiques de courte longueur (millimétrique), souvent par laser femtoseconde dans le cœur des fibres optiques et agissent comme un filtre optique passe-bande en réflexion centré sur la longueur d’onde de Bragg. Cette propriété permet un multiplexage spectral et la mesure du décalage en longueur d’onde de Bragg fournit l’information recherchée. En base silice, les réseaux de Bragg permettent de réaliser des mesures de températures jusqu’à 1200°C. Pour des mesures supérieures à 1200°C, les fibres optiques en saphir sont utilisées jusqu’à des températures de 2000°C. Cependant, le comportement de guidage des fibres optiques en saphir est très multimodal car elles ne possèdent pas de cœur. En conséquence, la mesure est moins précise et le rapport signal-sur-bruit est moins élevé que pour une fibre monomode en silice. De plus, toute modification de la surface de la fibre a un impact sur le spectre du réseau de Bragg.
Le but de cette thèse est de développer des outils et méthodes pour la maîtrise du processus de création d’un guide d’onde optique dans la fibre en saphir, permettant ainsi une réduction du contenu modal se propageant dans la fibre en saphir et in fine ouvrir des perspectives importantes en métrologie en environnements sévères (contrôle de moteur d’avions, réacteurs nucléaires, procédé thermochimiques, etc.) qui font partie des missions du DRT/LIST-DIN. Une des techniques envisagées est la photo-inscription d’une gaine optique, en forme d’anneau, donc le diamètre interne – i.e. le cœur – serait de l’ordre de la dizaine de micromètres. D’autres techniques telles que l’implantation ionique sont aussi envisagées pour créer la gaine optique par amorphisation (collaboration envisagée avec le GANIL, ligne d’implantation IRRSUD). Enfin ces structures seraient caractérisées à haute température (2000°C) et sous très haute pression dynamique (> 10 GPa).

Dévéloppement d’un instrument microfluidique sans lentille de mesure in-situ de cinétiques de dissolution faciès dépendants

Cette thèse fait partie d’un programme ambitieux désigné comme un programme prioritaire de recherche. Ce projet identifie le sous-sol français comme un réservoir majeur de ressources nécessaires à la transition énergétique.
Dans ce contexte, un des enjeux majeurs est la dissolution de minerais dans le cadre de l’extraction minière et de la métallurgie extractive. En particulier, dans l’objectif de l’industrialisation des procédés, les cinétiques de dissolution des minerais doivent être compatibles avec l’empreinte au sol des installations, la biocompatibilité et le volume des réactifs consommés.
Le constat aujourd’hui est la très forte inadéquation entre le volume des données expérimentales produites et celles nécessaires pour modéliser les processus chimiques indispensables pour démontrer la viabilité des procédés industriels.
Cette thèse propose de mettre au point un banc prototype millifluidique d’acquisition de données cinétiques en masse par des techniques d’imagerie sans lentille. Ceci permettra de mesurer des cinétiques réactionnelles de dissolution par des techniques de reconstitution 3D, in-situ, dans des conditions chimiques stables et avec une représentativité statistique permettant la prise en compte des propriétés originales du solide.
Une large part des recherches sera orientée vers la mise au point de la technique optique sans lentille dans un dispositif millifluidique et la production en masse de données cinétiques chimiques pour des modèles de dissolution catalytiques.
Le profil recherché est celui d'un étudiant en physique et chimie généraliste, avec une forte envie d'apprentissage dans les domaines qu'il connait le moins comme la microfluidique ou de l'optique. A l'issue de cette thèse, l'étudiant acquerra une solide expérience professionnelle dans la recherche appliquée et apprendra à évoluer dans un environnement multithématique.

Metrologie répartie haute cadence et haute capacité par réseaux de Bragg pour les applications de surveillance structurelle (SHM)

En complément des techniques de contrôle périodique non destructif, la surveillance de santé des structures (Structural Health Monitoring – SHM) fait intervenir des systèmes de mesures in situ par fibres optiques et réseaux de Bragg (RdB) et des algorithmes d’évaluation fonctionnelle. Les RdB délivrent des mesures in-situ de déformation et de température et renseignent sur l’état de déformation interne d’une structure consécutif à la fatigue ou à des impacts. Ils sont également utilisés comme détecteurs acoustiques, en remplacement des céramiques piézoélectriques. La surveillance de structures étendues ou les analyses acoustiques par tomographies active ou passive nécessitent simultanément une capacité de mesure et une cadence d’acquisition élevée. Or les unités de lecture RdB commerciales sont essentiellement basées sur des techniques de multiplexage spectral (Wavelength-Division Multiplexing, WDM) ou sur la réflectométrie fréquentielle (Optical Frequency-Domain Reflectometry, OFDR). Les unités WDM sont limitées en capacité (typiquement quelques dizaines de points de mesure) mais peuvent présenter des cadences supérieures au MHz compatibles avec une analyse acoustique. A contrario, les unités OFDR peuvent gérer plusieurs milliers de points de mesure mais à des cadences réduites (inférieures à la centaine de Hz). La spectrométrie Bragg dispersive (DBS) est une technique innovante susceptible de lever ces limitations et d’aboutir simultanément à une cadence et une capacité de mesure élevées, ouvrant ainsi la voie à une reconstruction tomographique performante. Le principe consiste à utiliser un laser impulsionnel, un milieu fortement dispersif, un détecteur large bande et un oscilloscope à grande bande passante (HDO) et transformer un décalage de longueur d’onde de Bragg et un retard temporel. Différents modes d’application de cette technique seront évalués durant ce travail de thèse, avec des lignes de RdB multiples (e.g. DTG) ou des réseaux à périodes variables. La technique DBS sera préalablement évaluée au laboratoire (LSPM) avec des céramiques piézoélectriques, voire par la technique laser ultrasonique (avec CNRS/PIMM). Puis, elle sera testée sur différents démonstrateurs offerts par les partenaires institutionnels et industriels du réseau doctoral MSCA USES 2 : structure de génie civil (BAM [Berlin, Allemagne]), réservoir d’hydrogène en composite (Faber [Cividale del Friuli, Italie], CEA DAM [Le Ripault]) et conduite métallique de transport de fluides (ENI [Milano, Italie]). Le doctorant se déplacera sur ces différents sites d’essais (période de 2 mois chacune), y implémentera la technique DBS et procédera au retour d’expérience de terrain.

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