Brevet FR2751798A1 — publié le 19980130

La présente invention concerne un dispositif d'alignement d'une chaîne d'amplification laser. Elle s'applique notamment aux lasers de puissance qui nécessitent la mise en oeuvre de plusieurs amplificateurs optiques en cascade dans une structure multipassages. Pour réaliser un laser de puissance, on amplifie généralement le signal élaboré par un laser de faible puissance, appelé laser pilote, à l'aide d'amplificateurs optiques constitués par exemple par des plaques de verre dopé Néodyne associées à des lampes à flash. Le niveau de puissance désiré est atteint en traversant successivement un grand nombre de ces plaques. L'association de plusieurs plaques constitue un amplificateur élémentaire. Pour optimiser l'extraction de l'énergie stockée dans ces amplificateurs, on utilise une structure dite multipassages permettant au faisceau de traverser plusieurs fois chaque amplificateur élémentaire. Une des techniques utilisables pour réaliser plusieurs passages dans chaque amplificateur est le multiplexage spatial ou angulaire des faisceaux lors des différents passages. Cette technique utilise, pour le filtrage spatial du faisceau lors du trajet entre deux amplificateurs successifs, la focalisation du faisceau au centre d'un trou de filtrage. Les points de focalisation sont distincts pour tous les trajets de la chaîne. Une des difficultés de cette technique d'amplification multipassages est le centrage des faisceaux dans les amplificateurs et dans les trous de filtrage. Le centrage doit être effectué pour chaque tir du laser car il est impossible de garantir d'un tir l'autre la stabilité du système optique qui se déforme du fait des contraintes mécaniques et thermiques. Une méthode pas à pas n'est pas envisageable lorsqu'un grand nombre de chaînes doivent être mises en oeuvre simultanément comme par exemple dans des cas de fusion thermonucléaire qui peuvent nécessiter la focalisation de plus de 200 faisceaux laser sur une cible de deutérium aux dimensions de quelques millimètres, pour transmettre à cette dernière la puissance souhaitée. Un dispositif d'alignement automatique, ayant un temps d'exécution rapide, est alors nécessaire. Le but de l'invention est de permettre la réalisation d'un tel dispositif d'alignement assurant le centrage des faisceaux dans les amplificateurs et les trous de filtrage d'une chaîne laser, notamment adapté lorsqu'un grand nombre de chaînes d'amplification laser doivent être alignées simultanément. A cet effet, I'invention a pour objet un dispositif d'alignement d'une chaîne d'amplification d'un faisceau laser, caractérisé en ce qu'il comporte au moins des moyens de mesures et des gabarits d'alignements positionnés à la place de plaques de trous de filtrage de la chaîne, les gabarits d'alignements ayant des trous, dont les centres ont sensiblement les mêmes positions spatiales que les centres de trous de filtrage, certains trous de gabarits étant équipés de guidons de référence décalés angulairement entre eux et dont la pointe est orientée vers le centre des trous, les moyens de mesures déterminant par visée en fin de chaîne les écarts entre les points de focalisation du faisceau dans les trous, confondus en un seul point1 et les pointes des guidons, leurs positions angulaires permettant de les affecter à leurs trous respectifs, les positions d'éléments de la chaîne étant asservies en fonction des mesures d'écarts. L'invention a pour principaux avantages qu'elle ne complexifie pas la réalisation matérielle de la chaîne d'amplification, qu'elle permet un réglage de l'alignement aisé et rapide à exécuter, qu'elle nécessite peu d'éléments mobiles, qu'elle ne nécessite que la puissance du laser pilote pour l'alignement, qu'elle est automatique, qu'elle est simple à mettre en oeuvre et qu'elle permet une grande précision. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, faite en regard de dessins annexés qui représentent: - la figure 1, un exemple de réalisation d'une chaîne d'amplification, - la figure 2, des exemples de réalisation de gabarits d'alignement utilisés dans le dispositif selon l'invention, - la figure 3, la pointe d'un guidon d'un gabarit d'alignement repéré dans un plan, - la figure 4, un mode de réalisation possible de moyens d'écart de centrage de points de focalisation, - la figure 5, un synoptique d'un exemple de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention, - la figure 6, un mode de réalisation possible pour mesurer des écarts de centrage de pupilles. La figure 1 présente un exemple de réalisation d'une chaîne d'amplification d'un faisceau laser à structure multipassages. Le faisceau laser à amplifier 1, appelé faisceau pilote est focalisé au centre d'un premier trou de filtrage Tla par exemple au moyen d'un miroir d'injection 2. Le trou de filtrage est percé dans une plaque de filtrage T1 contenant trois autres trous T1 b, Tlc, Tid. En suivant le trajet du faisceau depuis le premier trou de filtrage Tira, la chaîne d'amplification comporte une première lentille L1, un premier amplificateur élémentaire 3, une deuxième lentille L2, une deuxième plaque de filtrage T2 percée de quatre trous de filtrages T2a, T2b, T2c, T2d, une troisième lentille L3, un deuxième amplificateur élémentaire 4 et un premier miroir 5 dit de fond de cavité. Le filtrage spatial réalisé à travers les trous de filtrage associés aux lentilles améliorent l'homogénéité de l'énergie laser transportée. Les lentilles L1, L2, L3 ont des axes focaux sensiblement confondus. Le plan des trous de filtrage Tira, Tlb, Tlc, Tld de la première plaque T1 est sensiblement perpendiculaire à ses axes focaux. Il en est de même pour les trous de filtrage de la deuxième plaque T2. Le trajet du faisceau laser tout au long de son amplification peut être décrit comme suit. Après le premier trou de filtrage Tira, le faisceau traverse la première lentille L1 qui en fait un faisceau parallèle. Après avoir traversé le premier amplificateur 3 et la deuxième lentille L2, le faisceau passe par un deuxième trou de filtrage T2a, image du premier trou TI a, en se focalisant en son centre. Le faisceau traverse ensuite le deuxième amplificateur 4 avant de se réfléchir avec un angle d'incidence non nul dans le premier miroir 4 de fond de cavité. Un premier passage dans les amplificateurs 3, 4 est alors effectué. Le deuxième passage s'effectue en sens inverse du précédent, le faisceau passant en se focalisant dans d'autres trous de filtrage T2b, Tlb. En sortie du dernier trou de filtrage T1 b, le faisceau se réfléchit sur un miroir 6 de demi-tour afin d'être envoyé vers une quatrième lentille L4 pour se ré fléchir avec un angle d'incidence non nul dans un deuxième miroir 7 de fond de cavité. Une cellule de Pockels 8 est par exemple intercalée entre ce miroir et la quatrième lentille L4. Un demi-tour du faisceau est ainsi effectué qui le dirige après réflexion sur le miroir 6 de demi-tour vers un autre trou TI c, non encore traversé, en se focalisant en son centre. Le faisceau laser effectue alors un troisième passage à travers les amplificateurs élémentaires 3, 4 en se focalisant notamment au centre d'un trou T2c, image du précédent T2c. Après s'être réfléchi sur le premier miroir 5 de fond de cavité, le faisceau effectue un quatrième et dernier passage dans les amplificateurs 3, 4 en se focalisant dans deux trous de filtrage T2d, Tri d non encore traversés. En sortie du dernier trou de filtrage Tld, le faisceau laser est remis parallèle à l'aide d'une cinquième lentille L5. L'alignement d'une chaîne d'amplification laser du type de celle de la figure 1 comporte au moins les deux opérations suivantes: - centrage des pupilles, c'est à dire la superposition des pupilles sur les miroirs de cavité 5, 7, - alignement des points de focalisation et des trous de filtrage spatial. La longueur de la chaîne entre la première plaque de filtrage T1 et le premier miroir 5 de fond de cavité peut dépasser la centaine de mètres, un amplificateur élémentaire 3, 4 ayant à lui seul une longueur par exemple d'environ 15 mètres. Entre deux tirs de laser successifs, tous les éléments de la chaîne sont susceptibles de changer de position, même légèrement. Or une très grande précision du centrage des faisceaux dans les amplificateurs et du centrage des faisceaux à travers les trous de filtrage est nécessaire. Un trou de filtrage ayant un diamètre d'environ 3 mm, le faisceau laser doit être centré sur ce trou à quelques dizaines de micromètres près. II est donc impératif de corriger avant chaque tir de laser la pointe des éléments de la chaîne d'amplification afin d'avoir la précision voulue sur les centrages. Si l'on considère un repère d'axe orthonormé x, y, z où z représente l'axe de la chaîne, les corrections selon cet axe z peuvent être négligées en raison des grandes profondeurs de champ. Dans sa partie parallèle, le faisceau laser a par exemple une section carrée de côté d'environ 40 cm. Du fait de leurs dimensions et de leurs poids, il est difficile de modifier après leur mise en place la position des amplificateurs élémentaires 3,4 et des lentilles de focalisation L1, L2, L3, L4. II est préférable de jouer sur la position des miroirs 2, 5, 7 et des plaques de filtrage T1, T2. Le système optique d'une chaîne d'amplification peut être décrit en première approximation par un modèle mathématique linéaire ou les déplacements des éléments de la chaîne apparaissent comme des perturbations. En considérant comme grandeurs de mesure les écarts dans le plan x, y précédemment défini, entre les points de focalisation et les centres de pupilles réelles désirées, on peut établir la matrice de sensibilité des sorties vis à vis des perturbations. Les centres de pupilles sont les points de centrage des faisceaux dans les amplificateurs. Cette matrice de sensibilité définit notamment les influences de tous les déplacements sur le centrage des points de focalisation dans les trous de filtrage. Elle correspond à un système linéaire de m équations à n inconnues où m est supérieur à n, et d'ordre n. Dans le cas d'une chaîne d'amplification du type de celle de la figure 1, les expériences et calculs de la Déposante ont montré que le système linéaire pouvait être réduit à 5 équations linéairement indépendantes. Si on considère comme grandeurs de commande les angles de rotation des miroirs orientables 2, 5, 7 et les déplacements en translation selon les axes x, y des plaques de filtrage, on peut établir la matrice de sensibilité des sorties vis-à-vis de ces mouvements. Si B est la matrice de sensibilité du système vis-à-vis des commandes, et si V est le vecteur des erreurs de centrage des foyers par rapport aux centres des trous de filtrage, la commande à appliquer est représentée par le vecteur U qui est déterminée par la résolution du système linéaire: B U=-V (1) Chaque composante du vecteur U détermine une commande à appliquer, par exemple une rotation d'un miroir 2, 5, 7 ou un déplacement d'une plaque de filtrage T1, T2. Le vecteur U est parfaitement déterminé par la connaissance de la matrice de sensibilité B et du vecteur V des mesures d'écarts de centrage. Le dispositif selon l'invention permet aisément de réaliser ces mesures d'écarts de centrage. La matrice de sensibilité est par exemple pré-établie une fois pour toutes. Les variables d'entrée de la matrice de sensibilité B sont par exemple notées: x LI, xL2, x L4, xTI, xT2, e MS, e M7, e M2 où: x L1, x L2, x L4, x T1, x T2 sont respectivement les translations dans le plan x, y des deuxième, troisième et quatrième lentilles L2, L3, L4 et des deux plaques de filtrage T1, T2. - 0 M2, e M5, e M7 sont respectivement les rotations autour des axes x et y du miroir d'injection 2 et des premier et deuxième miroir de fond de cavité 5, 7. Les variables de sortie de la matrice de sensibilité B sont: dxT1a, dxT1b, dxTlc, dxTld, dxT2a, dxT2b, dxT2c, dxT2d qui représentent les translations dans ie plan x, y des trous de filtrage des deux plaques TI, T2. La matrice de sensibilité B étant de rang 5, elle peut être réduite à une matrice d'ordre 5. Elle peut alors être inversée et cinq variable d'entrée sont alors nécessaires pour résoudre le système. Ces variables d'entrée sont en fait les mesures des écarts de centrages des points de focalisation des faisceaux par rapport aux centres de cinq trous de filtrage parmi les huit au total, percés dans les deux plaques T1, T2. Cinq commandes sont choisies de façon à obtenir une matrice B' réduite d'ordre 5. En appelant V' le vecteur constitué des mesures d'écart précitées et U' le vecteur constitués des cinq commandes, la commande U' à appliquer au système pour obtenir le centrage des points de focalisation dans les trous de filtrage est donnée par la relation suivante: = (B' -I) (-V') (2) où B' -1 est la matrice inverse de la matrice réduite. Cette matrice inverse B2-1 peut être mémorisée dans un calculateur qui effectue le calcul de la relation (2) précédente pour chaque alignement à partir du vecteur de mesures V'. La matrice B' est déterminée à partir du modèle optique de la chaîne amplificative. La figure 2 présente un mode de réalisation possible de moyens de mesures des écarts de centrage des points de focalisation des faisceaux par rapport aux centres des trous de filtrage, c'est-à-dire en fait des moyens de mesures du vecteur V. La mesure de ce vecteur V est effectué en remplaçant les plaques des trous de filtrage par des calibres d'alignement T'1, T2 représentés par la figure 2. Un premier calibre d'alignement T'1 est disposé à la place de la première plaque T1 de trous de filtrage. Un deuxième calibre T'2 est disposé à la place de la deuxième plaque T2 de trous de filtrage. Les calibres T'1, T'2 sont constitués par des plaques percées de trous de diamètre supérieur ou égal à ceux des plaques de filtrage réelles, les cartes des trous ayant sensiblement les mêmes positions spatiales. Chaque trou est équipé au plus d'un guidon 21 de pointage dont la pointe est dirigée vers le centre du trou. Le nombre total de guidons répartis sur les trous est égal au nombre de mesures du vecteur , par exemple 5, mesures dans le cas d'une chaîne telle qu'illustrée par la figure 1. En fait, le nombre total de guidons est égal au rang de la matrice de sensibilité B du système. Les positions des guidons sont décalées angulairement de façon à ce que tous les guidons soient visibles par une visée en extrémité de chaîne. Par exemple, deux trous du premier gabarit T'1 ont respectivement un guidon à 7 heures et à 11 heures, les deux autres trous n'ayant pas de guidon. Trois trous du deuxième gabarits T'2 sont équipés de guidons respectivement à 1 heure, 3 heures et 5 heures, un trou n'ayant pas de guidon. Les guidons 21 peuvent être répartis régulièrement. La figure 3 montre que les coordonnées xi a, yîa de la pointe du guidon 21 d'un trou T'I a peut être définie dans le plan x, y donc notamment par rapport au centre Oa du trou de filtrage correspondant. La mesure de la position des points de focalisation par rapport aux pointes de guidons permet donc de définir la mesure des écarts de ces points de focalisation avec les centres des trous de filtrage. Le système étant par exemple d'ordre 5, cinq mesures d'écart et 5 commandes seulement sont nécessaires pour corriger le système. II s'agit en fait de la résolution d'un système linéaire de 5 équations à 5 inconnues. Le vecteur mesure V est par exemple le suivant: V, = (dxT'I c, dxT'1d, dxT'2b, dxT2c, dxT'2d) Les composantes de ce vecteur sont les écarts dans le plan x, y des points de focalisation du faisceau avec le centre des trous T'lc, T'ld, T'2b, T'2c, T2d des gabarits T'1, T'2 équipés de guidons 21. n étant le rang de la matrice de sensibilité B, n commandes sont choisies de façon à obtenir une matrice de sensibilité réduite B' d'ordre n, dans l'exemple relatif à la figure 1, n est égal à 5. Ainsi le vecteur de commande U' peut être le suivant: U' = (xT1, xT2, iM5, eM7, iM2) Cela signifie notamment qu'il suffit de régler la position en translation dans le plan x, y des plaques de filtrage T1, T2 et la position en rotation autour des axes x et y des miroirs 2, 5, 7 pour régler le centrage des points de focalisation dans les trous de filtrage. Ce réglage est obtenu à partir des mesures d'écarts V', par la relation (2) U' = (B'-1 )(-V'), ce calcul étant effectué par exemple, par un calculateur. Les mesures d'écarts sont réalisées en utilisant les gabarits de la figure 2. Pour cela, les plaques de trous de filtrage T1, T2 sont remplacées par les gabarits T'1, T'2 équipés des cinq guidons de référence. Des moyens de mesures déterminent, par visée en fin de chaîne, les écarts entre les points de focalisation du faisceau, confondus en un seul point au niveau des moyens de mesures, et les pointes des cinq guidons. La position angulaire des guidons permet par ailleurs d'affecter les écarts mesurés à leurs trous respectifs. Connaissant l'écart avec la pointe d'un guidon, il est alors immédiat, par différence, d'obtenir l'écart par rapport au centre puisque la position de la pointe est parfaitement définie par rapport à ce centre. La figure 4 présente un mode de réalisation possible pour mesurer les écarts. Les trous de filtrage, en fait les trous de gabarits, étant par exemple éclairés par un faisceau annexe, la visée est réalisée à l'aide d'une caméra (41) par exemple à haute résolution où d'un détecteur infrarouge CCD (Détecteur à transfert de charges) observant le dernier point de convergence en sortie T'I d de la chaîne d'amplification. L'image des guidons est enregistrée par la caméra et leurs positions dans l'image sont par exemple déterminées par traitement numérique de l'image. La position angulaire des guidons permet de les affecter à leurs trous respectifs et permet ainsi de déterminer les écarts de centrage par rapport à ces trous. Le faisceau en sortie de la chaîne, c'est-à-dire du dernier trou de filtrage T1 d se réfléchi sur une lame semi-réfléchissante 42 puis sur un miroir sphérique 43 pour se focaliser sur le détecteur matriciel. La figure 5 illustre par un synoptique, un mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention. II comporte les gabarits T'1, T'2 tels que décrits relativement à la figure 2, des moyens 51 de mesures des écarts entre l'image des points de focalisation des trous des gabarits et les pointes des guidons 21. Cette image étant mesurée en sortie de chaîne, un calculateur 52 relié aux moyens de mesures, ce calculateur mémorisant notamment la matrice de sensibilité inverse, et un ensemble d'actionneurs asservis 53 commandé par le calculateur 52. Ces actionneurs commandent par exemple la position des gabarits T'1, T'2 et des miroirs d'injection 2 et de fond de cavité 5, 7. Les moyens de mesures sont par exemples tels que ceux illustrés par la figure 4. L'ensemble d'actionneurs asservis 53 permet l'orientation des miroirs 2, 5, 7 déviateurs de faisceau et les déplacements dans le plan x, y des gabarits d'alignements T'1, T'2. L'ensemble est géré par le calculateur 52. Les moyens de mesures fournissent au calculateur le vecteur V, des mesures d'écarts de centrage. Connaissant la matrice de sensibilité du système, notamment en ayant en mémoire sa matrice inverse, le calculateur peut alors résoudre le système linéaire et déterminer le vecteur de commande U' des actionneurs 53. Il transmet les valeurs de commande à ce dernier de façon à positionner les éléments commandés dans la position d'alignement du faisceau laser. La procédure d'alignement développée par le dispositif selon l'invention peut alors être réitérée pour vérifier le bon alignement de la chaîne. Une fois cet alignement assuré, les plaques de trous de filtrage T1, T2 sont alors substituées aux gabarits d'alignements T'1, T'2 avec un positionnement ayant une précision meilleure que l'erreur tolérée, par exemple 5 um. Avant d'engager la procédure d'alignement précédente, il peut être nécessaire de s'assurer du centrage des pupilles. A cet effet, la pupille d'injection en entrée de la chaîne d'amplification doit être positionnée de façon à ce que ses images successives à travers la chaîne soient centrées au milieu du trajet dans les amplificateurs élémentaires 3, 4, c'est-à-dire sur les miroirs de fond de cavité 5, 7 et le miroir de demi-tour 6. Pour cela les distances focales et le positionnement des lentilles sont tels que les images successives de la pupille d'entrée sont sur ces miroirs. La figure 6 présente un mode de réalisation possible pour obtenir le centrage des pupilles. Une caméra 61 équipée d'un système optique focalisé au foyer du miroir sphérique 63 et placé en face du dernier point de focalisation permet de visualiser la position des différentes pupilles. Des réticules centrés dans les positions souhaitées sont placées dans les plans de ces pupilles, et il suffit de les aligner à l'aide de la caméra de visualisation (61) en positionnant la pupille d'injection à l'aide du miroir d'injection 2. Le système optique focalisé à l'infini est par exemple constitué d'un miroir semi-réfléchissant 62, d'un miroir sphérique 63 et d'une lentille 64. Le faisceau en sortie de la chaîne d'amplification se réfléchit en partie sur le miroir semi-réfléchissant 62 puis sur le miroir sphérique 63 qui renvoie un faisceau focalisé à son foyer 65. La lentille 64 forme l'image de ce point sur la caméra 61. Le montage de la figure 6 peut être associé à celui de la figure 5. La caméra 61 est alors reliée au calculateur 52 et le miroir d'injection commandé par l'ensemble activateur 53, ce dernier recevant les valeurs de commande du calculateur. Le dispositif d'alignement selon l'invention peut s'appliquer pour le réglage simultané d'un grand nombre de chaînes d'amplifications grace notamment à son automatisme et à des temps d'exécution rapides. II met en oeuvre un nombre réduit d'éléments mobiles, par exemple quelques miroirs et quelques gabarits d'alignements. II permet de maintenir les faisceaux au centre des trous de filtrage à mieux que 5 % du diamètre des trous. II permet aussi de maintenir le centrage et l'orientation du faisceau, dans les pupilles à mieux de 1 % de l'ouverture. II n'utilise que la seule puissance du laser pilote 1, indépendamment de la taille des trous de filtrage. Le dispositif d'alignement selon l'invention a été décrit pour le réglage d'une chaîne du type de celui de la figure 1. II peut s'adapter à d'autres types de chaînes modélisées par des systèmes linéaires de rang quelconque. En particulier, le nombre de guidons utilisés peut être avantageusement égal au rang du système linéaire associé à la chaîne. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alignement d'une chaîne d'amplification d'un faisceau laser (1), caractérisé en ce qu'il comporte au moins des moyens de mesures (41, 42, 43) et des gabarits d'alignements (r11 T'2) positionnés à la place de plaques (T1, T2) de trous de filtrage de la chaîne, les gabarits d'alignements (T'1, T'2) ayant des trous (T'1a, T'lb, T'lc, 7'lu, T'2a, T'2b, T'2c, T'2d) dont les centres ont sensiblement les mêmes positions spatiales que les centres des trous de filtrage (tira, TI b, Tlc, TI d, T2a, T2b, T2c, T2d), certains trous de gabarits étant équipés de guidons de référence (21) décalés angulairement entre eux et dont la pointe est orientée vers le centre des trous, les moyens de mesures déterminant par visée en fin de chaîne (T'ld), les écarts entre les points de focalisation du faisceau dans les trous, confondus en un seul point, et les pointes des guidons (21), leurs positions angulaires permettant de les affecter à leurs trous respectifs, les positions d'éléments de la chaîne (T'1, T'2, 2, 5, 7) étant asservies en fonction des mesures d'écarts. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chaîne étant modélisée par un système linéaire de rang n, le nombre total de guidons (21) utilisés est égal à ce rang n, les moyens de mesures délivrant n mesures d'écarts. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mesures comportent une caméra (41), une lame semi-réfléchissante (42) et un miroir sphérique (43), les trous des gabarits étant éclairés par un faisceau, la visée étant réalisée par la caméra (41) observant le dernier point de focalisation en sortie (T'1 d) de la chaîne, le faisceau en sortie de chaîne se réfléchissant sur la lame semi-réfléchissante (42) puis sur le miroir sphérique (43) pour se focaliser sur la caméra (41). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, pour obtenir le centrage des pupilles de la chaîne d'amplification, une caméra (61) équipée d'un système optique focalisé à l'infini et placé en face du dernier point de focalisation de la chaîne pour visualiser la position des différentes pupilles, des réticules centrés dans les positions souhaitées étant placés dans les plans de ces pupilles, les pupilles et les réticules étant alignés en jouant sur le miroir d'injection (2) du faisceau dans la chaîne d'amplification. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un miroir semi-réfléchissant (62), un miroir sphérique (63) et une lentille (64), le faisceau en sortie de la chaîne d'amplification se réfléchissant sur le miroir semi-réfléchissant (62) puis sur le miroir sphérique (63) vers la lentille (64) qui le focalise sur la caméra (61).