STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS

1. STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS Techniques de mesure et de contrôle spatial de laser intenses Emeric LAVERGNE Imagine Optic elavergne@imagine-optic.com

2. Stage Lasers Intenses2008 intro2 Focale : f S D MAIS AUSSI S est très dépendante du front d’onde du faisceau Faisceau

3. Stage Lasers Intenses2008 plan PLAN Le front d’onde Les techniques de mesures Les techniques de correction Le fusible optique Un exemple d’application

4. Stage Lasers Intenses2008 Définition front d’onde Surface en tous points orthogonale aux rayons lumineux Rayons parallèles Surface d ’onde Plane : pas d’aberrations Rayons divergents Surface d ’onde Sphérique : pas d’aberrations Aberrations : défauts du front d’onde hors courbure (et tilts)  défauts à la meilleure sphère Le front d’onde ou La surface d’onde La phase Le front de phase ou encore Le déphasage L’écart aberrant Wave-Front Error (WFE) ……..

5. Stage Lasers Intenses2008 Effet Aberrations PV = 90nm Le front d’onde Intensité au point de focalisation Front d’onde Intensité Propagation PV = 550nm • Augmentation de la divergence, de la taille du point de focalisation. • L’intensité n’est plus gaussienne en champ lointain, diminution du rapport de Strehl, augmentation du M² …

6. Stage Lasers Intenses2008 MIROMA Les techniques de mesure : MIROMA Mesures du profil d’intensité dans 3 plans différents puis Algorithme itératif (Gerschberg Saxton) CLIPS 2006 : L. Bruel

7. Stage Lasers Intenses2008 Les interféromètres 1 Les techniques de mesure : l’interférométrie : Le Mach-Zehnder Création d’une référence cohérente temporellement puis analyse des franges Femto 2004 : JC Chanteloup et M. Joffre

8. Stage Lasers Intenses2008 Les interféromètres 2 Calcul : FFT, filtrage spectral et inverse FFT. Obtention des gradients du front d’onde, puis calcul du front d’onde par intégration. Les techniques de mesure : l’interférométrie à décalage quadri-latéral Grille de trous + réseau devant un CCD Clips 2006 : B. Wattelier

9. Stage Lasers Intenses2008 Les interféromètres 3 Les techniques de mesure : l’interférométrie à décalage quadri-latéral Soit L la distance de propagation : Dynamique 1 / L Sensibilité L Résolution latérale 1 / L Echantillonnage  nb de trous En sortie du réseau, 4 ondes sont générées Elles interfèrent sur le CCD après propagation Les bords de la pupille ne sont pas mesurés. Résolution latérale  échantillonnage

10. Stage Lasers Intenses2008 Le shack-Hartmann 1 perfect collimated beam Microlens array CCD aberrated wavefront x y Les techniques de mesure : le Shack Hartmann Réseau de microlentilles CCD

11. Stage Lasers Intenses2008 Le shack-Hartmann 2 Les microlentilles pas = 150 µm focale = 6 mm ouverture carrée CCD   La caméra pas pixel = 10 µm Au foyer de chaque microlentille : un sinc² Les techniques de mesure : le Shack Hartmann Calcul d’un barycentre dans les deux directions

12. Stage Lasers Intenses2008 Le shack-Hartmann 3 Les techniques de mesure : le Shack Hartmann Soit f la focale des microlentilles : Dynamique 1 / f Sensibilité f Résolution latérale = pas des microlentilles Echantillonnage  nb de microlentilles Précision  précision de mesure du barycentre 1000  /200 rms 150µm 128 max 0.03 pixel : /100 rms + Produit éprouvé + Précision de mesure vérifiable + Etalonnage interne + Achromatique + Mesure indépendante du profil d’intensité - Consomme beaucoup de pixels - Approximation d’un front d’onde plan devant les microlentilles

13. Stage Lasers Intenses2008 Le filtrage spatial Faisceau Aberrations présentes Aberrations filtrées La taille du trou est liée aux fréquences spatiales des aberrations filtrées. Trou gros Trou moyen Trou petit Les techniques de correction : le filtrage spatial Plus le trou est petit et plus l’énergie est perdue !!

14. Stage Lasers Intenses2008 Les systèmes actifs Les techniques de correction : les systèmes actifs Boucle fermée : asservissement Terme générique : Correction de surface d’onde Optique adaptative : Correction des mouvements atmosphériques (>100Hz) Optique active : Correction des aberrations statiques résiduelles + thermiques

15. Stage Lasers Intenses2008 Les valves 1 Les techniques de correction : les valves à cristaux liquides Résolution spatiale gigantesque Faible tenue au flux Rendement en énergie transmise faible

16. Stage Lasers Intenses2008 Les valves 2 La résolution spatiale permet de générer des points de focalisation avec des profils quasiment quelconque. Simulation result Experimental result Target image Les techniques de correction : les valves à cristaux liquides Front d’onde final Front d’onde initial Commande SLM PV = 1.9µm PV = 0.05µm

17. Stage Lasers Intenses2008 Les miroirs 1 Les techniques de correction : les miroirs déformables piezo-électrique Nombre d’actuateurs : 32 Très haute tenue au flux Miroir de grande taille

18. Stage Lasers Intenses2008 Les miroirs 2 Membrane et aimants Bobines V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 Nombre d’actuateurs 52 Bonne tenue au flux Miroir de petite taille (pas = 1mm) Très forte dynamique Abordable TP 9 Les techniques de correction : les miroirs déformables magnétiques

19. Stage Lasers Intenses2008 Les miroirs 3 WFE variance Low Frequency High Frequency Laser path DM PinHoles DM Les techniques de correction : les miroirs déformables magnétiques

20. Stage Lasers Intenses2008 Le Fusible Optique Les techniques de correction : le fusible optique Association d’un système d’optique adaptative et d’un trou de filtrage

21. Stage Lasers Intenses2008 Le Fusible Optique 2 Les techniques de correction : le fusible optique Le trou de filtrage conique: • Suffisamment petit pour être efficace • Technologie diélectrique compatible avec fluences extrêmes Le miroir déformable : • Assure le passage de la quasi totalité du flux dans le trou de filtrage • Tenue au flux : coatings di-électriques • Ne doit pas générer de hautes fréquences spatiales (détérioration du trou)

22. Stage Lasers Intenses2008 Le Fusible Optique 3 Les techniques de correction : le fusible optique Dimensionnement : • Le miroir déformable corrige les aberrations de bas ordres • Le trou de filtrage prend le relais pour éliminer les aberrations de fréquences spatiales élevées Plus le miroir déformable peut corriger des fréquences spatiales élevées plus le trou peut être gros

23. Stage Lasers Intenses2008 Exemple 1 Exemple : ALISE

24. Stage Lasers Intenses2008 Exemple 2 Exemple : ALISE Pilote Pilote asservi Tir 30J

25. Stage Lasers Intenses2008 Conclusion Conclusion Diagnostics spatiaux Caméra au point de focalisation : mesure du champ lointain Analyseurs de surface d’onde : MIROMA Interféromètre à décalage latéral Shack - Hartmann Contrôle spatial Valves optiques SLM Miroirs déformables Piezo-éléctrique bimorphe Magnétiques Mécaniques Imagine Optic: Analyseurs de surface d’onde : HASO Miroir déformables : MIRAO Correction de surface d’onde : CASAO