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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
plan
PLAN
Le front d’ondeLes techniques de mesuresLes techniques de correctionLe fusible optiqueUn exemple d’application
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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
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
Les interféromètres 2
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
Les interféromètres 3
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
Le shack-Hartmann 2
Les techniques de mesure : le Shack Hartmann
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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 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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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 techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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)
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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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 fréquencesspatiales élevées plus le trou peut être gros
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Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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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Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
Exemple 2
Exemple : ALISE
Tir 30JPilote asserviPilote
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Techniques de mesure et de contrôle spatial
Les techniques de mesuresLe front d’onde Les techniques de correction Exemple
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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