Brevet FR2671641A1 — publié le 19920717

I " Miroir à rendement élevé pour la technique des lasers '. L'invention concerne un miroir à rendement élevé en cuivre, argent ou en or, applicable à la technique des lasers. Dans la technique des lasers, on utilise jusqu'à présent des miroirs en cuivre électrolytiques ou en cuivre OFHC, dont la surface supérieure est polie pour arriver à une réflexion maximale de la lumière incidente. La matière de ces miroirs connus n'a pas de structure ordonnée C'est pourquoi, la surface supérieure réfléchis- sante est occupée par des limites de grains qui contien- nent des impuretés et engendrent l'absorption ainsi que la dispersion de la lumière En outre, les limites de grains constituent des surfaces d'attaque pour l'oxyda- tion Elles sont en partie effacées par le polissage et recouvertes par vaporisation de couches. L'invention a pour but de créer un miroir plus puis- sant c'est-à-dire susceptible de recevoir des charges plus importantes applicables à la technique des lasers et pour résoudre ce problème, il est proposé de former le miroir par la surface supérieure d'un mono-cristal. Les mono-cristaux envisageables sont de préférence des mono-cristaux en cuivre, argent et or ayant un degré de dureté de 99,999 %. Au cours des différents essais de miroirs à mono- cristaux de différents diamètres et formes, on a constaté que: Les lasers atteignent actuellement des puissances de plusieurs gigawatts/cm Les rayons lasers ont ainsi une section très faible par exemple égale à 0,6 x 0,4 I mm. De tels faisceaux très fortement regroupés, très puis- sants détruisent tous les miroirs connus en cuivre OFHC et autres métaux La raison pour laquelle des miroirs à mono-cristaux permettent d'arriver à des puissances plus élevées, se trouve dans la combinaison de plusieurs facteurs avantageux En particulier, il semble essentiel que la structure régulière non détruite par les limites des grains dans un mono-cristal permet un polissage plus régulier et donne ainsi une surface supérieure mieux réfléchissante L'énergie rayonnée, dont la partie non réfléchie est faible, c'est-à-dire est absorbée, peut être évacuée plus rapidement par une meilleure conducti- bilité thermique et être échangée avec l'environnement l'absence des limites de grains dans un mono-cristal en est également l'origine. Des essais comparés entre des miroirs électrolyti- ques et des miroirs de cuivre OFHC ainsi que des miroirs de cuivre monocristallins ont donné une réflexion augmen- tée d'environ 1 %. Les miroirs à mono-cristaux en argent ou en or ont donné des réflexions améliorées d'environ 1,9 %. Comme dans la technique des lasers, les miroirs de cuivre, électrolytiques ou le cuivre OFHC n'ont été améliorés dans leurs réflexions que 1/l Oème de % par revêtement, l'amélioration de la réflexion obtenue par l'invention est considérable De plus, l'invention sup- prime le revêtement très coûteux. Un avantage supplémentaire réside dans la plus grande durée de vie d'un miroir à mono-cristal du fait de sa plus faible sensibilité à l'oxydation. Par le changement de la structure du cristal à la surface supérieure par des orientations différentes, on peut également polariser la lumière incidente. On a constaté de façon globale que pour une meme technique de polissage, on obtenait une meilleure réfle- xion de la surface supérieure résultant de la structure du mono-cristal. Pour augmenter encore plus la puissance du miroir, les considérations recueillies dans la phase de dévelop- pement décrite ci-dessus passant du miroir OFHC au miroir à mono-cristal permettent de polir encore mieux la sur- face supérieure réfléchissante pour augmenter encore plus le rendement de la réflexion et ainsi réduire au minimum l'absorption de l'énergie rayonnée De façon surprenante, on a toutefois constaté que des mesures pratiquement opposées pouvaient aboutir au résultat souhaité Il s'est en effet avéré que la plus grande possibilité de charges par un faisceau laser a été obtenue dans le cas d'un miroir dont la surface superieure réfléchissante corres- pondait à la surface d'orientation cristallographique ( 100) ou ( 111) d'un mono-cristal de cuivre en structure corrodée. La surface supérieure corrodée apparaît grossière à l'oeil et précisément elle n'a pas la réflexion d'un miroir Pour la compréhension de l'invention, on ne peut faire que des suppositions Pour cela, il faut d'abord considérer une nouvelle fois les conditions lors du polissage des miroirs Des lasers CO 2 de forte puissance détruisent des miroirs en cuivre du fait de la rugosité de la surface superficielle qui subsiste après le polis- sage Pour la réflexion d'un faisceau laser incident d'une puissance du domaine du gigawatt, les pointes subsistant après polissage de la surface superficielle du miroir jouent avant tout un rôle très néfaste Elles ont la plus faible conductibilité thermique et sous l'effet du tir du laser, elles commencent à se vaporiser sous la forte puissance La matière vaporisée en partie du plasma, se dépose alors de nouveau à la surface superficielle du miroir et ce condensat ternit le poli du miroir, de sorte que la réflexion du faisceau laser incident est diminuée, l'absorption augmente et par suite la matière est inuti- lisable comme écran de protection et lors du tir suivant par le faisceau laser, elle est détruite. La rugodité de la surface superficielle obtenue par corrosion n'est pas comparable avec la rugosité de la surface superficielle qui reste après polissage, sur le plan de l'effet des rayons lasers Bien plus, un premier effet de la corrosion semble être la suppression des pointes de polissage. En outre, l'augmentation de la surface réfléchis- sante obtenue par l'opération de corrosion semble jouer un rôle essentiel La structure corrodée obtenue pour la surface d'orientation cristallographique ( 100) d'un mono- cristal de cuivre présente des cavités de corrosion pra- tiquement carrées dans tous les éléments de cristaux cubiques formant la surface superficielle et la structure de corrosion de la surface d'orientation cristallographi- que ( 111) présente des cavités de corrosion pratiquement triangulaires La somme des surfaces des cavités de cor- rosion est considérablement plus grande que la surface superficielle polie avant l'opération de corrosion et de ce fait l'énergie de rayonnement arrivant sur une unité de surface est ainsi d'autant plus faible. En outre, les cavités de corrosion constituent des réflecteurs distincts pour la lumière laser incidente, réflecteurs dont le grand nombre et l'irrégularité décom- posen t la lumière laser incidente et la dévient dans des directions différentes c'est-à-dire la dispersent. Enfin, il pourrait également être significatif que le faisceau de lumière laser incidente comme dans le cas de miroirs concaves, n'arrive perpendiculairement de façon précise que sur une petite-partie de la surface réfléchissante des cavités de corrosion et dont la sur- face superficielle présente éventuellement de meilleures caractéristiques de réflexion que dans le cas de surfaces superficielles présentant des sillons de polissage méca- niques. Le réflecteur formé par une seule cavité de corro- sion ne reçoit qu'une très faible fraction de la puissance reçue par le laser Pour une section de rayon de 0,24 mm et une surface de projection moyenne-d'une cavité de cor- o rosion d'environ 11,5 Angstroms au carré, le rayon arrive sur pratiquement 2 * 10 cavités de corrosion ou petits réflecteurs Dans le cas d'une puissance de rayonnement de par exemple 1 gigawatt/m, chacun des petits réflec- teurs formés par les cavités de corrosion reçoit sensi- blement un millionième d'un watt Cette faible fraction de la puissance globale du faisceau laser est réfléchie pour l'essentiel par la surface superficielle de la cavité de corrosion et le résidu minimum qui subsiste peut être évacué du fait de la conductibilité thermique élevée du mono-cristal de cuivre, par la surface bombée de la cavité de corrosion qui par comparaison avec la surface de pro- jection est le cas échéant double, si bien qu'il n'y a aucun risque pour le matériau. Dans un essai comparatif entre des miroirs de mono- cristaux de cuivre et des surfaces de mono-cristaux de cuivre avec des cavités de corrosion pour l'orientation cristallographique ( 100) et ( 111), on a obtenu le schéma suivant: On a utilisé un laser puisé avec une puissance de pointe de 1 gigawatt/cm et une durée d'impulsions de nsec Dès le 5 ème tir, on a constaté des endommagements de la surface réfléchissante du miroir de cuivre poli, endommagements qui s'amplifiaient en fonction du nombre de tirs La réflexion mesurée initialement s'est réduite avec l'augmentation de la destruction de la surface du miroir. Les surfaces d'un mono-cristal de cuivre ( 100) et (lii) avec attaque chimique, soumis au même tir ne pré- sentaient aucun effet de destruction Une réduction de la propriété de réflexion ne pouvait se constater de l'extérieur du moins elle n'a pu être mesurée par la dispersion du faisceau laser. Un exemple de réalisation d'un miroir de puissance élevée selon l'invention est représenté aux dessins, dans lesquels: la figure I est une vue de caté d'un miroir. la figure 2 est une vue à échelle agrandie selon une coupe partielle au niveau de la surface supérieure réfléchissante, corrodée. Des mono-cristaux de cuivre de grande surface ayant des surfaces d'orientation cristallographiques ( 100) ou ( 111) comme surfaces de miroir peuvent se réaliser soit sous forme de surfaces planes, soit sous forme de surfa- ces bombées très minces La mesure D donnée à la figure 1 pour l'épaisseur est par exemple de l'ordre de 0,1 à mm Toutefois pour des miroirs plus minces, il faut veiller à ce qu'en tenant compte des parties adjacentes comme par exemple d'un composant revêtu d'une feuille de cuivre et de la température ambiante, on obtienne une évacuation suffisante de la chaleur Les surfaces réflé- chissantes de plusieurs mono-cristaux de cuivre peuvent être réunies sans jonction pour que leur ensemble forme un écran de protection contre un tir de faisceau laser. On peut de cette façon protéger par exemple des éléments sensibles ou des organes de commande de satellites ou de fusées ou encore d'autres installations susceptibles d'être endommagés par un tir de rayons lasers. Pour la fabrication d'un miroir de puissance élevée selon la figure 1, il faut tout d'abord tenir compte de ce que la surface supérieure réfléchissante portant la référence 10 à la figure 1 correspond à la surface d'orientation cristallographique ( 100) ou à la surface d'orientation cristallographique ( 111) du mono-cristal de cuivre De façon avantageuse, on effectue d'abord le polissage habituel de cette surface supérieure comme cela est courant pour de tels miroirs. Par cette opération, on élimine les irrégularités les plus grossières de la surface supérieure et on assure un certain compactage du matériau dans la zone de sa sur- face supérieure Puis, on effectue une corrosion de la surface supérieure 10 également de façon connue par exem- ple à l'aide d'acides nitrique de façon à faire apparal- tre les structures de corrosion connues pour les surfaces d'orientation mentionnées du mono-cristal La figure 2 montre par exemple schématiquement les cavités de corro- sion portant la référence 12 dans les différents éléments de cristal en forme de cubes l de la surface d'orienta- ZO tion cristallographique ( 100) et qui forment la surface supérieure 10 du miroir Comme le montre cette figure, la somme des surfaces supérieures courbes de ces cavités de corrosion 12 est considérablement plus grande qu'une surface supérieure de miroir lisse 10 et chacune des cavités de corrosion 12 forme un petit réflecteur qui, indépendamment de l'alignement des réflecteurs voisins, réfléchit la partie incidente d'un faisceau de lumière laser dans une certaine direction individuelle, détermi- née. Le miroir décrit ci-dessus convient particulière- ment pour l'optique laser et pour des capteurs de rayon- nement comme écran de protection contre les rayons lasers. R E V E l D I C A T I O H S 1 ) Miroir de puissance en cuivre, argent ou or pour la technique laser, miroir caractérisé en ce c'il est constitué par la surface supérieure d'un mono-cristal. 2 ) Miroir selon la revendication l, caractérisé en ce que la surface supérieure ( 10) réfléchissante est po Lie de façon connue en soi. 3 ) Miroir selon la revendication l, caractérisé en ce que la surface supérieure réfléchissante ( 10) de O 10 la surface d'orientation cristallographique ( 100) ou (il) du mono-cristal est une structure corrodée. 4 ) Miroir selon l'une quelconque des revendications i ou 3 caractérisé en ce que la surface supérieure réflé- chissante (l O) constitue globalement une forme courbe par exemple un miroir concave. ) Miroir selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il est composé de plusieurs surfaces de mono-cristaux corrodées. 6 ) Procédé pour la fabrication d'un miroir de puissance selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la surface plane ou courbe ( 100) ou ( 1 i 1) d'orientation ( 10) d'un mono-cristal de cuivre est corrodée de façon à représenter la structure de cor- rosion du cristal. 7 ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la surface superieure ( 10) du mono-cristal est polie avant la corrosion. 8 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que la surface supérieure ( 10) du mono- cristal est corrodée à l'aide d'acide nitrique