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STAGE LASERS INTENSESDu 4 au 8 février 2008

COURS

Techniques de mesure et de contrôle spatial de laser intenses

Emeric LAVERGNE

Imagine Optic [email protected]

Stage Lasers Intenses 2008

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Imagine Optic

Techniques de mesure et de contrôle spatial

Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple

intro2

S

FaisceauD

Focale : f

MAIS AUSSIS est très dépendante du front d’onde du faisceau


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Imagine Optic



plan

PLAN

Le front d’ondeLes techniques de mesuresLes techniques de correctionLe fusible optiqueUn exemple d’application


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Imagine Optic



Définition front d’onde

Le front d’onde

ouLa surface d’ondeLa phaseLe front de phase

Surface en tous points orthogonale aux rayons lumineux

Rayonsparallèles

Surface d ’ondePlane : pas d’aberrations

Rayonsdivergents

Surface d ’ondeSphérique : pas d’aberrations

Aberrations : défauts du front d’onde hors courbure (et tilts) défauts à la meilleure sphère

ou encoreLe déphasageL’écart aberrantWave-Front Error (WFE)……..


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Effet Aberrations

Le front d’onde

Front d’ondeIntensité au pointde focalisation

PV = 90nm

Propagation

PV = 550nm

Intensité

•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 …


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MIROMA

Les techniques de mesure : MIROMA

Mesures du profil d’intensitédans 3 plans différents puis Algorithme itératif

CLIPS 2006 : L. Bruel(Gerschberg Saxton)


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Imagine Optic



Les interféromètres 1

Les techniques de mesure : l’interférométrie : Le Mach-Zehnder

Femto 2004 : JC Chanteloup et M. Joffre

Création d’une référence cohérente temporellementpuis analyse des franges


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Imagine Optic




Les techniques de mesure : l’interférométrie à décalage quadri-latéral

Grille de trous + réseaudevant un CCD

Calcul : FFT, filtrage spectral et inverse FFT.Obtention des gradients du front d’onde,puis calcul du front d’onde par intégration.

Clips 2006 : B. Wattelier


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Imagine Optic




Les techniques de mesure : l’interférométrie à décalage quadri-latéral

Soit L la distance de propagation :

Dynamique 1 / LSensibilité LRésolution latérale 1 / LEchantillonnage nb de trous

En sortie du réseau, 4 ondes sont généréesElles interfèrent sur le CCD après propagation

Les bords de la pupille ne sont pas mesurés.Résolution latérale échantillonnage


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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


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Le shack-Hartmann 2


Calcul d’un barycentre dans les deux directions

Au foyer de chaque microlentille :un sinc²

CCD

µmD

fTaille 40

150

65.022

pixel

llemicrolenti

Pas

focaleTanPos

).(

Les microlentillespas = 150 µmfocale = 6 mmouverture carrée

La camérapas pixel = 10 µm


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Le shack-Hartmann 3


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 rms150µm128 max0.03 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


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Le filtrage spatial

Les techniques de correction : le filtrage spatial

Faisceau

Aberrationsprésentes

Aberrationsfiltrées

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 !!


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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

Laser

Wavefront sensor

Deformable mirror

User beam output

Computer

Wavefront measurement

Correction control

Closed loop


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Les valves 1

Les techniques de correction : les valves à cristaux liquides

Résolution spatiale gigantesqueFaible tenue au fluxRendement en énergie transmise faible


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Les valves 2

Les techniques de correction : les valves à cristaux liquides

Targetimage

Simulationresult

Experimentalresult

La résolution spatiale permet de générer des points de focalisation avec des profils quasiment quelconque.

PV = 1.9µm PV = 0.05µm

Front d’onde initial Commande SLM Front d’onde final


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Les miroirs 1

Les techniques de correction : les miroirs déformables piezo-électrique

Nombre d’actuateurs : 32Très haute tenue au fluxMiroir de grande taille


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Les miroirs 2

Les techniques de correction : les miroirs déformables magnétiques

V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8

Membrane et aimants

BobinesNombre d’actuateurs 52Bonne tenue au fluxMiroir de petite taille

(pas = 1mm)Très forte dynamiqueAbordable

TP 9


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Les miroirs 3

Les techniques de correction : les miroirs déformables magnétiques

WFE variance

Laser pathDM

Low Frequency

High Frequency

DM

PinHoles


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Le Fusible Optique

Les techniques de correction : le fusible optique

Association d’un système d’optique adaptative et d’un trou de filtrage


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Le Fusible Optique 2


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)


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Le Fusible Optique 3


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 fréquencesspatiales élevées plus le trou peut être gros


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Exemple 1

Exemple : ALISE

Wavefront sensor Haso 64, Imagine Optic

sampling points : 64x64 absolute mode accuracy : λ/100 rms dynamic : 1000λ

Deformable mirror Nightn, Bimorph mirror

Aperture : 100 mm Actuators : 32

Ultra intense laser λ = 1053 nm, Δτ(compressed) = 450 fs P = 240 TW, E(not compressed) = 90 J

Experimentation Hall


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Exemple 2

Exemple : ALISE

Tir 30JPilote asserviPilote


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Conclusion

Conclusion

Diagnostics spatiauxCaméra au point de focalisation : mesure du champ lointainAnalyseurs de surface d’onde :

MIROMAInterféromètre à décalage latéralShack - Hartmann

Contrôle spatialValves optiques SLMMiroirs déformables

Piezo-éléctrique bimorpheMagnétiquesMécaniques Imagine Optic :

Analyseurs de surface d’onde : HASOMiroir déformables : MIRAOCorrection de surface d’onde : CASAO

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