Brevet FR2687021A1 — publié le 19930806

La présente invention décrit les moyens de produire un rayonnement optique impulsionnel de forte puissance moyenne qui peut être utilisé en radar optique, LIDAR, télédétection, télédétection par absorption différentielle (DIAL), production d'un rayonnement intense dans le domaine spectral des rayons X en utilisant un plasma créé par un laser impulsionnel. Les rayons X ont de multiples applications au nombre desquelles on peut citer la microscopie X, la microlithographie, le micro-usinage. Dans tous les cas il est nécessaire de posséder une source aussi ponctuelle que possible émettant un rayonnement intense. L'encombrement et le coût doivent être compatibles avec une application industrielle. Différentes sources de rayons X permettent de remplir, en tout cas partiellement, ces contraintes. Le rayonnement synchroton délivre des puissances confortables sur des faisceaux quasiment collimatés mais le coût et l'encombrement des synchrotons limitent notablement le nombre d'utilisateurs. Les sources à bombardement d'électrons produisent des rayons X sur un spectre large dont la fréquence centrale dépend du matériau utilisé pour la cible. Elles ont le désavantage d'avoir une brillance réduite due à la grande dimension de la source. Les sources à plasma laser sont relativement récentes et utilisent le rayonnement X produit par interaction laser-matière. Le rayonnement X provient d'ions fortement ionisés; il est concentré dans le domaine X-mous (sub-keV) sous forme de raies discrètes ainsi que dans le domaine keV sous forme d'un continuum. Les pics d'émission peuvent être accordés par un choix correct du numéro atomique de la cible et des paramètres du laser. Les dimensions de la source peuvent être très petites (diamètre En principe, une grande variété de spectres de rayons X peuvent être produits en changeant les paramètres de la cible et du laser. Néanmoins, dans un domaine donné, de bon facteurs de conversion ( > 10%) ne peuvent être obtenus que dans des conditions spécifiques (numéro atomique de la cible, température de plasma, volume et extension spatio-temporelle du plasma...). II a été démontré que pour obtenir une conversion efficace du rayonnement laser dans les rayons X il convient d'utiliser des longueurs d'onde courtes (X Les conditions de durée, intensité lumineuse et dimension de la tache conduisent à des impulsions dont l'énergie est supérieure à 0,5 Joule. Afin de produire les puissances moyennes requises on peut soit utiliser des impulsions de forte énergie (3 50 Joules) à faible cadence, soit utiliser des impulsions de faible énergie à plus haute cadence. Le dispositif décrit ici utilise des impulsions de faible énergie. II consiste en un oscillateur laser (1) produisant une impulsion dont la durée est de l'ordre de 1 à 5 ns. Cette impulsion peut être rendue mono mode longitudinal ou non. Selon une variante non illustrée l'oscillateur est une diode laser. Selon une variante non illustrée l'oscillateur comporte un milieu laser solide pompé par diode laser. Selon une variante non illustrée l'impulsion est obtenu par découpage temporelle d'un signal continu à l'aide d'un système électrooptique composé d'une cellule à effet Pockels située entre deux polariseurs croisés. L'impulsion de faible puissance provenant de l'oscillateur est injectée dans un amplificateur régénératif (2) à l'aide d'un polariseur (23) et d'une cellule de Pockels (24) L'amplificateur consiste en une cavité laser dont tous les miroirs ont une réfléctivité de 100%. La longueur de la cavité est supérieure à T.c/2 ou T est la durée de l'impulsion émise par l'oscillateur et c est la vitesse de la lumière dans le vide. La cavité comprend un ou plusieurs milieux amplificateurs (20) dont la bande de gain coïncide tout ou en partie à celle de l'oscillateur. L'impulsion injectée est amplifiée par passage successifs dans le ou les milieux amplificateurs. Des facteurs d'amplification supérieurs à 108 sont possibles. Lorsque l'impulsion voyageant dans la cavité régénératrice à atteint le niveau d'énergie requis, une tension est appliquée à la cellule de Pockels (26).La tension est comprise entre zéro volt et la tension quart d'onde du matériau électrooptique utilisé dans la cellule. La sortie de l'amplificateur régénératif (par réflection sur le polariseur (25)) consiste alors en un train d'impulsions séparées par le temps d'aller et retour dans la cavité. Dans une variante non illustrée le résonateur ne comporte ni le polariseur (25) ni la cellule de Pockels (26) et un de ses miroirs (M1) est rendu semi-transparent. Le signal lumineux qui sort de la cavité par le miroir MI est composé d'un train d'impulsions distantes d'une durée égale au temps mis par la lumière pour faire l'aller retour du résonateur. Selon une variante non illustrée le facteur de sur-tension Q de la cavité rendu très faible par un système ne présentant pas de dépendance en polarisation (système mécanique ou utilisant la réflection totale frustrée par exemple). L'impulsion est alors injectée dans la cavité laser en utilisant la transmission résiduelle de l'un des miroir de la cavité. Dès que l'impulsion est dans la cavité le facteur Q de la cavité est restauré à sa valeur maximale et l'amplification peut commencer. Le signal lumineux qui sort de la cavité par le miroir MI est composé d'un train d'impulsions distantes d'une durée égale au temps mis par la lumière pour faire l'aller retour du résonateur. Une utilise le type de résonateur décrit dans la précédente et un milieu laser ne présentant pas de dépendance du gain avec la polarisation.Le rayonnement émis est alors non-polarisé permettant d'obtenir des faisceaux spatialement uniformes y compris en présence de biréfringence induite thermiquement. La forme et la durée du train est contrôlé en ajustant le gain et les pertes dans la cavité. Les rayons de courbures des miroirs composant la cavité seront choisis préférentiellement pour que le profil spatial du faisceau amplifié soit fortement multimode ou super-gaussien afin d'extraire la totalité de l'énergie stockée. L'amplitude relative de ces impulsions peut être contrôlé en ajustant la tension entre deux passage de l'impulsion dans la cellule de Pockels (24). Le nombre d'impulsions dans le train peut varier de 1 à plusieurs centaines. Ce train est amplifié à nouveau dans un ou plusieurs amplificateurs jusqu'à ce que l'énergie de chaque impulsion dépasse le seuil nécessaire à la création d'un plasma. Puisque l'énergie de chaque impulsion reste relativement limitée, la taille des amplificateurs peut être petite.Par contre un grand nombre d'impulsions successives permet d'extraire la totalité de l'énergie stockée dans les amplificateurs. On peut ainsi produire de fortes puissances moyennes ( > 100 W) tout en utilisant des amplificateurs de faibles dimensions ( Dans une variante non illustrée la fréquence de l'onde optique produite par le système décrit ci-dessus est doublé par passage dans un générateur d'harmoniques (4) (cristal non centro-symétrique par exemple). Dans une variante non illustrée on utilise plusieurs générateurs de ce type pour produire avec un maximum d'efficacité les harmoniques plus élevées (3ème,4ème,5ème) de l'onde initiale. Le faisceau laser est alors focalisé à l'aide d'un système optique (5) sur une cible (6) constituée par le corps dont on veut utiliser le rayonnement X (7). L'ensemble des impulsions d'un même train atteint la cible en un même point créant ainsi une sorte de cratère. Ce cratère augmente la directivité du rayonnement X et par suite la brillance de la source. Le point d'impact sur la cible est renouvelé entre deux trains d'impulsions par mouvement de la cible ou du système de focalisation. Dans une variante non illustrée seul le rayonnement correspondant à l'une des harmoniques de la fréquence initiale est focalisé sur la cible. Dans une variante non illustrée on focalise en un même point à l'aide d'une optique achromatique (un miroir par exemple) le rayonnement correspondant au diverses harmoniques préalablement produites à l'aide d'un générateur d'harmoniques. REVENDICATIONS 1- Dispositif laser pour la production de rayons X caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (1) pour produire et émettre une impulsion de lumière (IL) cohérente, des moyens (2) de produire à partir de cette impulsion lumineuse un train d'impulsions lumineuses (T), des moyens (3) pour amplifier de façon cohérente ce train d'impulsions, des moyens (4) de produire des ondes lumineuses aux fréquences harmoniques (FH) de l'onde initiale et, des moyens (5) de focaliser l'onde initiale et ses harmoniques sur une cible (6). 2- Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (1) pour produire et émettre une impulsion de lumière (IL) cohérente comprennent un oscillateur laser émettant un rayonnement continu (10) suivi d'un dispositif electro-optique (11) permettant de découper dans ladite onde continue une impulsion lumineuse. 3- Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens (2) consiste en un amplificateur régénératif comprenant, un milieu amplificateur (20) dont la bande de gain contient la fréquence centrale de l'impulsion lumineuse (IL), d'un résonateur optique composé de plusieurs miroirs (21 et 22) hautement réfléchissants, d'un polariseur (23), d'une cellule à effet Pockels commandée électriquement (24), d'un polariseur (25), d'une cellule à effet Pockels commandée électriquement (26). L'impulsion lumineuse (IL) est injectée dans cet amplificateur régénératif en appliquant sur la cellule (24) une tension électrique de façon synchrone avec l'arrivée de l'onde lumineuse sur le polariseur (23). 4- Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'énergie lumineuse est extraite de l'amplificateur régénératif (200) en appliquant une tension électrique sur la cellule (26) un certain temps après avoir appliqué une tension électrique sur la cellule (24). Le rayonnement issu de l'amplificateur régénératif (200) consiste alors en un train d'impulsions séparées par le temps d'aller et retour dans le résonateur de l'amplificateur régénératif (200) et dont le nombre et l'amplitude sont fixés par la valeur de la tension appliquée à la cellule (26) 5- Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que un des miroirs (21) du résonateur est partiellement transparent. Une partie de l'impulsion lumineuse se propageant dans l'amplificateur est extraite à chaque allerretour.Le rayonnement issu de l'amplificateur régénératif (200) consiste alors en un train d'impulsions séparées par le temps d'aller et retour dans le résonateur de l'amplificateur régénératif (200) et dont le nombre et l'amplitude sont fixés par les paramètres de gain et de perte dans ledit amplificateur. 6- Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens (3) consistent en une suite de milieux amplificateurs (30) opérant par effet laser qui peuvent être utiliser en simple ou multiple passage. 7- Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits amplificateurs sont en nombre pair, associés par paire d'amplificateurs identiques à des compensateurs de phase. 8- Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les harmoniques de la fréquence de l'onde initiale (IL) produites, après amplification de ladite onde, à l'aide de générateurs d'harmoniques optiques (4), sont focalisées en même temps et au même point d'une cible à l'aide d'un système optique achromatique (5). 9- Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'énergie nécessaire pour obtenir une amplification dans les milieux amplificateurs compris dans l'oscillateur (10), I'amplificateur régénératif (200) ou les amplificateurs (30) est fournie en tout ou en partie par une source de lumière cohérente. 10- Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le rayonnement produit est utilisé en radar optique, L(DAR, télédétection, télédétection par absorption différentielle (DIAL), production de rayons X par interaction laser-matière pour l'imagerie X ou la micro-lithographie.