Brevet FR2653903A1 — publié le 19910503

La présente invention concerne un procédé d'obtention d'un élément optique par réflexion pour laser de puissance. On connalt dans la technique deux procédés fondamentaux pour la fabrication de réseaux de diffraction. Selon l'un de ces procédés, on utilise un diamant qui grave des traits sous l'effet d'une comnande par moteur. Selon l'autre de ces procédés, on utilise 1 'enre- gistrement par voie holographique. Pour plus de précisions, on peut se reporter d'une part à la publication: Herstellung von Beugungsgittern für Spektrometrie und Optoelektronik (Fabrication de réseaux de diffraction pour spectrométrie et optoélectronique) de J.P. LAUDE et J. FLAMAND dans Feinwerktechnik und Messtechnik 94 (1986) 5 pages 307 à 309 et d'autre part, à la publication: Proceedings Vol. II "ESO conference on very large telescopes and their instrumentation", Carching, 21-24 March 1988 édité par M. H. ULRICH: Classical and holographic gratings - Design and manufacture (Fabrication et conception des réseaux classiques et holographiques) de J.P. LAUDE, J. FLAMAND, A. THEVENON, D. LEPERE. Pour la réalisation de réseaux devant résister aux lasers de puissance, c'est-à-dire aux lasers à énergies élevées continues ou impulsionnel les, on fabrique généralement les réseaux par réflexion sur un support métallique. Ce support métallique est de bonne conductivité thermique, il s'agit, en général, de cuivre, de silicium, de carbure de silicium comportant à la surface une couche d'un métal tel que l'or, l'aluminium ou l'argent de quelques micromètres d'épaisseur dans laquelle est gravée la structure du réseau. Il est nécessaire de refroidir la couche d'or, d'argent ou d'aluminium lorsqu'elle est frappée par le faisceau incident et à cet effet, le support métallique est souvent muni d'un dispositif de refroidissement dans lequel circule un fluide de refroidissement. On peut, à titre d'exemple, mentionner un ensemble de canalisations prévu à 1' intérieur du support où circule un fluide de refroidissement. Ce fluide de refroidissement peut être de liteau, de l'éthylène glycol ou un composé analogue. la couche superficielle frappée par le faisceau incident doit avoir une réflectivité maximale, c'est-à-dire le minimum d'absorption. Cependant, il reste toujours un résidu d' absorption. Il y a donc création de chaleur à la surface du réseau. Cette chaleur diffuse vers le support et est entra1- née par le fluide de refroidissement. Ce procédé de mise en oeuvre ne peut pas être uti lisé avec les lasers actuels dont les puissances des flux lumineux sont de plus en plus élevées. A l'heure actuelle des puissances supérieures à 1 MW/cm2 sont courantes et le procédé précité de l'art antérieur est inapplicable car il ne permet pas d'avoir le refroidissement nécessaire. Il existe donc un besoin de pouvoir disposer de réseaux susceptibles de résister aux lasers de puissance. Ea a présente invention résout le problème du re- froidissement d'une façon logique et rationnelle. La présente invention a donc pour objet un procédé d'obtention d'un élément optique par réflexion pour laser de puissance dans lequel on utilise un fluide de refroidissement contenu dans un dispositif de forme quelconque et une structure réfléchissante avec un support optique qui est caractérisé en ce que la structure réfléchissante solidaire du support optique est directement en contact avec le fluide de refroidissement. a présente invention concerne également les caractéristiques ci-après considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - la structure réfléchissante est placée au dos du support optique; - le support optique est un matériau transparent; - la structure réfléchissante est un miroir; - la structure réfléchissante est un réseau de diffraction; - la structure réfléchissante est au contact d'une mince couche de diamant évaporé sur du séléniure de zinc; - le support optique transparent est du diamant ou du séléniure de zinc; - le réseau est directement usiné dans le matériau transparent et est recouvert d'une couche réflectrice; - l'incidence du faisceau laser est Brewstérienne sur le dioptre d'entrée;; - le pas du réseau en fonction de la longueur d'ondes X et de l r indice n du matériau transparent est tel que: 0,6 na - le support optique est une lame à face paral vièle; - le support optique est une lame prismatique; - le support optique est un prisme. - le liquide de refroidissement et la structure réfléchissante sont confondus et le liquide de refroidissement est choisi parmi le mercure, le sodium liquide ou autres métaux fondus; Divers avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description détaillée ciaprès faite en regard des dessins annexés sur lesquels: Figure 1 est une représentation schématique de l'art antérieur. Figure 2 illustre un mode général de la présente invention. Figure 3 représente un mode de mise en oeuvre de invention. Figure 4 représente une variante de mise en oeuvre de l'invention. Figure 5 illustre une autre variante de mise en oeuvre de l'invention. Figure 6 montre encore une autre variante de réalisation de la présente invention. Aux dessins annexés, les mêmes chiffres de référence désignent des parties analogues. Parfois des parties identiques sont différenciées à l'aide des signes prime, seconde et tierce. Comme illustré sur la Figure 1, selon l'art antérieur, le support 1 est muni de moyens de circulation de fluide de refroidissement 3. Ces moyens sont des canalisations où circulent de l'eau ou de l'éthylène glycol. Le faisceau incident 4 est appliqué sur la couche réflectrice 2. Selon l'invention, comme représenté sur la Figure 2, on utilise un support optique 5 transparent au faisceau incident 4 au dos duquel est réalisée une structure réfléchissante 7 dans un bon conducteur thermique, bien réfléchissant pour le faisceau incident 4 tel que l'or, l'argent, l'aluminium, le cuivre. Cette couche est assez mince, quelques micromètres d'épaisseur et est en contact direct avec le fluide de refroidissement 8 contenu dans un dispositif 9 de forme quelconque. Le liquide de refroidissement 8 est, à titre d'exemple, de 1 reau, de l'éthylène glycol ou un composé analogue. Le faisceau réfléchi est désigné par 6 tandis que ll désigne l'interface. Compte-tenu du contact de la surface du réseau avec le fluide de refroidissement, l'élévation de température de la surface du réseau est annihilée par l'efficacité du refroidissement. Dans de nombreux cas, le faisceau laser incident 4 est polarisé. Il est alors intéressant d'utiliser une incidence Brewstérienne sur l'interface 11. Dans ce cas, en effet, le vecteur champ électrique situé dans le plan de figure passe sans aucune réflexion à l'interface ll et arrive selon la polarisation du réseau E1 (champ électrique perpendiculaire aux traits). On sait dans ce cas que l'efficacité du réseau reste maximum sur un intervalle spectral très large pour un profil de traits lamellaire, pour un profil en triangle-rectangle ou pour un profil sinusoïdal En fait on sait expérimentalement que cette valeur stationnaire maximum de ltefficacité sur E 1 peut être obtenue sur la plupart des profils de réseaux pourvu que le rap port /d ( A longueur d'onde et d: espace entre deux traits) puisse être choisi avec une profondeur de modulation adaptée. Sur la Figure 3, on a illustré un mode de mise en oeuvre de la présente invention correspondant à un miroir refroidi. De l'or évaporé 7' solidaire de la lame transparente 5' est directement au contact du fluide de refroidis sement 8 contenu dans le dispositif 9 de maintien dudit liquide de refroidissement 8. La lame transparente 5' est maintenue en place dans le dispositif 9 grâce à la prévision de deux joints 10, 10 l'un étant disposé à la partie supérieure de la lame 5' et l'autre à sa partie inférieure. 4 désigne le faisceau incident et 6 le faisceau réfléchi. Sur la Figure 4, on a représenté un autre mode de réalisation de la présente invention dans lequel on a un réseau sur un prisme refroidi. Le support optique 5" est un prisme pourvu d'une structure réfléchissante 7" sous forme d'une couche d'or qui est directement en contact avec le fluide de refroidissement 8 contenu dans le conteneur 9. Plusieurs joints 10 servent au maintien approprié du prisme dans le conteneur 9. Dans cet exemple, le faisceau incident a pour valeur 1,6 micromètres. Le prisme est en silice et son indice n est égal à 1,450 à 1,06 micromètre. Sous une incidence Brewstérienne tg i1 - n donc i1 = 55, 410. Le pas a du réseau est tel que = 1,5, ce an qui est une bonne valeur pour avoir efficacité E1 maximum et stationnaire. Sur la Figure 5, on a illustré un réseau sur lame refroidie. Le support 5 est, dans cet exemple de réalisation de la présente invention, un substrat de diamant. Ce matériau est très intéressant, sa conductivité thermique est très supérieure à celle du séléniure de zinc. Son coefficient d'absorption à 10,6 micromètres est de 0,01 cm-1. Il est connu que ce matériau est excellent pour la réalisation de fenêtres de lasers Co2. La structure réfléchissante 7"' est constituée d'or évaporé. Considérons la condition de Brewster: tg i1 = n pour le rayon incident 4, la loi de Descartes donne sin ll = n sin i2 i2 = arcsin Ein (arctg n) n = 2,41. Par conséquent i1 67,460 et i2 22,540. Dans cet exemple on ne cherche pas à travailler en Littrow; on prend a priori un pas a=4 micromètres, en conséquence i3 = arcsin [#/na - sin i2] i3 = 1,811 ,et i4 = 4,3680. Sur la Figure 6, on a illustré un exemple d'application de la présente invention dans lequel on utilise si multanément les conditions d'incidence de Brewster sur la lame ou support optique et de Littrow sur le réseau ou structure réfléchissante. La structure réfléchissante 7" est un dépôt d'or transféré dans le support optique 5 en séléniure de zinc par usinage ionique. le substrat de séléniure de zinc est utilisé à 10,6 micromètres. La tenue en puissance du séléniure de zinc est très bonne, par exemple, pour une durée d'impulsions de 180 nanosecondes. Ce matériau peut supporter 640 kWlcm2. Le coefficient d'absorption du séléniure de zinc à 10,6 micromètres est bon, il est de 0,005 cl~1. Considérons la condition de Brewster tg i1 = n et la loi de Descartes sin i1 = n sin i2 (i1 représente l'angle d'incidence du faisceau incident et n l'indice du séléniure 1P 7inr1 On a: i2 arcsin (sin (arctg ) n = 2,4028, par conséquent Xi1 - 67,400 et i 22,600. Si l'on veut être sur le réseau ou structure réfléchissante 7" dans les conditions de Littrow, ce qui est le cas généralement lorsque le réseau est utilisé en miroir de cavité laser, il avoir une période réseau telle que: a = # 2 sin (arctg n) soit a = 5,74 micromètres. e réseau a une profondeur de modulation correspondant à la diffraction maximum sur le champ électrique perpendiculaire aux sillons et est utilisé en littrow, c'est-à-dire dans des conditions tel les que les faisceaux incidents et diffractés sur le composant sont confondus pour la longueur d'onde d'utilisation. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits en détails et diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques mentionnées dans les revendications, ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces derfières et n'en limitent aucunement la portée. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention d'un élément optique par réflexion pour laser de puissance (4) dans lequel on utilise un fluide de refroidissement (8) contenu dans un dispositif de forme quelconque (9) et une structure réfléchissante (7, 7', 7", 7"'), avec un support optique (5, 5', 5"), caractérisé en ce que la structure réfléchissante (7, 7', 7", 7"') solidaire du support optique (5, 5', 5") est directement en contact avec le fluide de refroidissement (8). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure réfléchissante (7, 7', 7", 7"') est placée au dos du support optique (5, 5', 5"). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le support optique (5,5', 5") est un matériau transparent. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure réfléchissante (7') est un miroir. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure réfléchissante (7", 7"') est un réseau de diffraction. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la structure réfléchissante (7", 7"') est au contact d'une mince couche de diamant évaporé sur du séléniure de zinc. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le support optique transparent (5, 5', 5") est du diamant ou du séléniure de zinc. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 5 caractérisé en ce que le réseau est directement usiné dans le matériau transparent (5) et est recouvert d'une couche réflectrice. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'incidence du faisceau laser est Brewtérienne sur le dioptre d'entrée. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 5 et 8, caractérisé en ce que le pas a du réseau en fonction de la longueur d'onde A et de l'indice n du ma tériau transparent (5, 5', 5") est tel que 0,6 na 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le support optique (5') est une lame à face parallèle. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le support optique (5") est une lame prismatique. i3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le support optique (5") est un prisme. 14. Procédé selon I rune quelconque des revendications l à 13, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement (8) et la structure réfléchissante (7, 7' , 7", 7"') sont confondus et le fluide de refroidissement (8) est choisi parmi le mercure, le sodium liquide ou autres métaux fondus.