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STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS Techniques de mesure et de contrôle spatial de laser intenses Emeric LAVERGNE Imagine Optic

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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

2 2 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 intro2 S Faisceau D Focale : f MAIS AUSSI S est très dépendante du front donde du faisceau

3 3 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 plan PLAN Le front donde Les techniques de mesures Les techniques de correction Le fusible optique Un exemple dapplication

4 4 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Définition front donde Le front donde ou La surface donde La phase Le front de phase Surface en tous points orthogonale aux rayons lumineux Rayons parallèles Surface d onde Plane : pas daberrations Rayons divergents Surface d onde Sphérique : pas daberrations Aberrations : défauts du front donde hors courbure (et tilts) défauts à la meilleure sphère ou encore Le déphasage Lécart aberrant Wave-Front Error (WFE) ……..

5 5 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Effet Aberrations Le front donde Front donde Intensité au point de focalisation PV = 90nm Propagation PV = 550nm Intensité Augmentation de la divergence, de la taille du point de focalisation. Lintensité nest plus gaussienne en champ lointain, diminution du rapport de Strehl, augmentation du M² …

6 6 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 MIROMA Les techniques de mesure : MIROMA Mesures du profil dintensité dans 3 plans différents puis Algorithme itératif CLIPS 2006 : L. Bruel (Gerschberg Saxton)

7 7 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Les interféromètres 1 Les techniques de mesure : linterférométrie : Le Mach-Zehnder Femto 2004 : JC Chanteloup et M. Joffre Création dune référence cohérente temporellement puis analyse des franges

8 8 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Les interféromètres 2 Les techniques de mesure : linterférométrie à décalage quadri-latéral Grille de trous + réseau devant un CCD Calcul : FFT, filtrage spectral et inverse FFT. Obtention des gradients du front donde, puis calcul du front donde par intégration. Clips 2006 : B. Wattelier

9 9 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Les interféromètres 3 Les techniques de mesure : linterférométrie 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 10 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Le shack-Hartmann 1 Les techniques de mesure : le Shack Hartmann Réseau de microlentillesCCD

11 11 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Le shack-Hartmann 2 Les techniques de mesure : le Shack Hartmann Calcul dun barycentre dans les deux directions Au foyer de chaque microlentille : un sinc² CCD Les microlentilles pas = 150 µm focale = 6 mm ouverture carrée La caméra pas pixel = 10 µm

12 12 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 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 dintensité - Consomme beaucoup de pixels - Approximation dun front donde plan devant les microlentilles

13 13 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Le filtrage spatial Les techniques de correction : le filtrage spatial Faisceau Aberrations présentes Aberrations filtrées La taille du trou est liée aux fréquences spatiales des aberrations filtrées. Trou grosTrou moyenTrou petit Plus le trou est petit et plus lénergie est perdue !!

14 14 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Les systèmes actifs Les techniques de correction : les systèmes actifs Boucle fermée : asservissement Terme générique : Correction de surface donde Optique adaptative : Correction des mouvements atmosphériques (>100Hz) Optique active : Correction des aberrations statiques résiduelles + thermiques

15 15 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 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 16 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Les valves 2 Les techniques de correction : les valves à cristaux liquides Target image Simulation result Experimental result La résolution spatiale permet de générer des points de focalisation avec des profils quasiment quelconque. PV = 1.9µmPV = 0.05µm Front donde initialCommande SLM Front donde final

17 17 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Les miroirs 1 Les techniques de correction : les miroirs déformables piezo-électrique Nombre dactuateurs : 32 Très haute tenue au flux Miroir de grande taille

18 18 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Les miroirs 2 Les techniques de correction : les miroirs déformables magnétiques V1 V2V3V4V5V6V7V8 Membrane et aimants Bobines Nombre dactuateurs 52 Bonne tenue au flux Miroir de petite taille (pas = 1mm) Très forte dynamique Abordable TP 9

19 19 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Les miroirs 3 Les techniques de correction : les miroirs déformables magnétiques WFE variance Laser path DM Low Frequency High Frequency DM PinHoles

20 20 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Le Fusible Optique Les techniques de correction : le fusible optique Association dun système doptique adaptative et dun trou de filtrage

21 21 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 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 22 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 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 23 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Exemple 1 Exemple : ALISE

24 24 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Exemple 2 Exemple : ALISE Tir 30JPilote asserviPilote

25 25 Imagine Optic Techniques de mesure et de contrôle spatial Les techniques de mesuresLe front dondeLes techniques de correctionExemple Stage Lasers Intenses 2008 Conclusion Diagnostics spatiaux Caméra au point de focalisation : mesure du champ lointain Analyseurs de surface donde : MIROMA Interféromètre à décalage latéral Shack - Hartmann Contrôle spatial Valves optiques SLM Miroirs déformables Piezo-éléctrique bimorphe Magnétiques Mécaniques Imagine Optic : Analyseurs de surface donde : HASO Miroir déformables : MIRAO Correction de surface donde : CASAO


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