Emeric LAVERGNE STAGE LASERS INTENSES Techniques de mesure et 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

S est très dépendante du front d’onde du faisceau intro2 Focale : f S D MAIS AUSSI S est très dépendante du front d’onde du faisceau Faisceau Stage Lasers Intenses 2008

Les techniques de mesures Les techniques de correction plan PLAN Le front d’onde Les techniques de mesures Les techniques de correction Le fusible optique Un exemple d’application Stage Lasers Intenses 2008

Définition front d’onde 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) …….. Surface en tous points orthogonale aux rayons lumineux Rayons parallèles Surface d ’onde Plane : pas d’aberrations divergents Sphérique : pas d’aberrations Aberrations : défauts du front d’onde hors courbure (et tilts)  défauts à la meilleure sphère Stage Lasers Intenses 2008

Augmentation de la divergence, de la taille du point de focalisation. Effet Aberrations Le front d’onde Intensité au point de focalisation Front d’onde PV = 90nm 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 … Stage Lasers Intenses 2008

Mesures du profil d’intensité dans 3 plans différents puis MIROMA Les techniques de mesure : MIROMA Mesures du profil d’intensité dans 3 plans différents puis Algorithme itératif (Gerschberg Saxton) CLIPS 2006 : L. Bruel Stage Lasers Intenses 2008

Création d’une référence cohérente temporellement 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 Stage Lasers Intenses 2008

Grille de trous + réseau devant un CCD Les interféromètres 2 Les techniques de mesure : l’interférométrie à décalage quadri-latéral Calcul : FFT, filtrage spectral et inverse FFT. Obtention des gradients du front d’onde, puis calcul du front d’onde par intégration. Grille de trous + réseau devant un CCD Clips 2006 : B. Wattelier Stage Lasers Intenses 2008

En sortie du réseau, 4 ondes sont générées 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 Stage Lasers Intenses 2008

Réseau de microlentilles CCD Le shack-Hartmann 1 Les techniques de mesure : le Shack Hartmann Réseau de microlentilles CCD perfect collimated beam aberrated wavefront x y Microlens array CCD Stage Lasers Intenses 2008

Calcul d’un barycentre dans les deux directions Le shack-Hartmann 2 Les techniques de mesure : le Shack Hartmann Les microlentilles pas = 150 µm focale = 6 mm ouverture carrée La caméra pas pixel = 10 µm  CCD Au foyer de chaque microlentille : un sinc² Calcul d’un barycentre dans les deux directions Stage Lasers Intenses 2008

Soit f la focale des microlentilles : Dynamique  1 / f 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 Stage Lasers Intenses 2008

Aberrations présentes filtrées Trou gros Trou moyen Trou petit Le filtrage spatial Les techniques de correction : le filtrage spatial Faisceau Aberrations présentes filtrées La taille du trou est liée aux fréquences spatiales des aberrations filtrées. Trou gros Trou moyen Trou petit Plus le trou est petit et plus l’énergie est perdue !! Stage Lasers Intenses 2008

Boucle fermée : asservissement 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 Stage Lasers Intenses 2008

Résolution spatiale gigantesque Faible tenue au flux Les valves 1 Les techniques de correction : les valves à cristaux liquides Résolution spatiale gigantesque Faible tenue au flux Rendement en énergie transmise faible Stage Lasers Intenses 2008

PV = 1.9µm PV = 0.05µm Front d’onde initial Commande SLM Les valves 2 Les techniques de correction : les valves à cristaux liquides Front d’onde initial Commande SLM Front d’onde final PV = 1.9µm PV = 0.05µm Target image Simulation result Experimental La résolution spatiale permet de générer des points de focalisation avec des profils quasiment quelconque. Stage Lasers Intenses 2008

Très haute tenue au flux Miroir de grande taille 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 Stage Lasers Intenses 2008

TP 9 Membrane et aimants Bobines Nombre d’actuateurs 52 Les miroirs 2 Les techniques de correction : les miroirs déformables magnétiques V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 Membrane et aimants Bobines Nombre d’actuateurs 52 Bonne tenue au flux Miroir de petite taille (pas = 1mm) Très forte dynamique Abordable TP 9 Stage Lasers Intenses 2008

DM Low Frequency High Frequency PinHoles Les miroirs 3 Les techniques de correction : les miroirs déformables magnétiques WFE variance Laser path DM Low Frequency High Frequency PinHoles Stage Lasers Intenses 2008

Association d’un système d’optique adaptative et d’un trou de filtrage Le Fusible Optique Les techniques de correction : le fusible optique Association d’un système d’optique adaptative et d’un trou de filtrage Stage Lasers Intenses 2008

Le trou de filtrage conique: 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) Stage Lasers Intenses 2008

Le miroir déformable corrige les aberrations de bas ordres 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 Stage Lasers Intenses 2008

Exemple 1 Exemple : ALISE Stage Lasers Intenses 2008

Pilote Pilote asservi Tir 30J Exemple : ALISE Stage Lasers Intenses 2008

Imagine Optic : Diagnostics spatiaux 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 Stage Lasers Intenses 2008