Brevet FR2759208A1 — publié le 19980807

La présente invention concerne un dispositif de contrôle du pointage et de la focalisation des chaînes laser sur une cible. Elle s'applique notamment dans le domaine des lasers de puissance utilisés par exemple pour l'étude de la physique des plasmas thermonucléaires. De tels plasmas sont obtenus en focalisant des faisceaux laser sur le pourtour d'une cible disposée par exemple à l'intérieur d'une capsule située dans une cavité o règne un vide poussé. Plusieurs faisceaux doivent être focalisés sur une cible pour obtenir l'énergie de déclenchement d'une réaction de fusion nucléaire, le nombre de faisceaux pouvant par exemple dépasser 200. Un faisceau issu d'un laser pilote de moyenne puissance, généralement un laser néodyme/verre de longueur d'onde égale à 1,054 prm fournissant une énergie de l'ordre de un joule, est amplifié à l'aide d'amplificateurs optiques placés dans une chaîne d'amplification multipassages, et transmis à des cristaux non linéaires qui permettent d'obtenir un faisceau de sortie ultraviolet de longueur d'onde égale à 0,351 pm dont l'énergie peut atteindre plusieurs kilojoules. L'ensemble des faisceaux peut ainsi fournir à la cible une énergie de plusieurs centaines de kilojoules. Deux types de cibles sont possibles. Un premier type de cible, constituée d'une microbille d'environ 1 mm de diamètre est attaquée directement. Un deuxième type de cible est attaquée indirectement, dans ce cas la microbille précédente est située à l'intérieur d'un cylindre par exemple d'environ 1 cm de longueur. Dans le premier cas, il faut focaliser les faisceaux en un point précis de la bille, au centre, en surface ou ailleurs. Dans le second cas, il faut focaliser les faisceaux dans les ouvertures circulaires pratiquées dans les bases du cylindre. Dans les deux cas, les faisceaux doivent donc converger en un point précis, d'o un réglage transversal en x, y et longitudinal en z à assurer. Le pointage et la focalisation des faisceaux sur la cible doivent être réalisés avec une précision tridimensionnelle, par exemple de l'ordre de lm, la cible pouvant être positionnée suivant les tirs dans un domaine sphérique de 5 mm de rayon. Le but de l'invention est de permettre un réglage précis du pointage et de la focalisation d'une chaîne laser sur une cible du premier ou du second type. A cet effet, I'invention a pour objet un dispositif de pointage et de focalisation d'un faisceau laser sur une cible à travers une chaîne de transport, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une fausse cible réfléchissante positionnée et orientée sensiblement identiquement à la cible, une lentille de focalisation du faisceau sur cette fausse cible, un dispositif séparateur, un analyseur de front d'onde, un miroir et une lame semi- réfléchissante, en fin de chaîne le faisceau se focalisant sur la fausse cible après s'être réfléchie sur le dispositif séparateur, une partie du faisceau de même longueur d'onde que celle de la partie réfléchie par le dispositif séparateur traversant ce dernier et la lame semiréfléchissante pour diriger vers l'analyseur de surface d'onde un premier front d'onde, le faisceau réfléchi par la fausse cible traversant le réseau séparateur pour se réfléchir sur le miroir et la lame semi-réfléchissante pour diriger vers l'analyseur de surface d'onde un deuxième front d'onde, les mesures de pointage et de focalisation étant réalisées au moyen de ce dernier par une analyse différentielle entre les deux fronts d'onde L'invention a notamment pour principaux avantages qu'elle est simple à mettre en oeuvre, qu'elle nécessite peu d'éléments, qu'elle permet un réglage aisé et rapide et qu'elle est économique. 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 de transport d'un faisceau laser depuis la sortie de sa chaîne d'amplification jusqu'à sa cible, - la figure 2, un exemple d'un mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention, - les figures 3a et 3b, des exemples possibles de réalisation de fausses cibles pour attaque indirecte. La figure 1 présente un exemple de trajet d'un faisceau laser amplifié 1 entre la sortie de sa chaîne amplificatrice représentée par exemple par un point de focalisation 2 et une cible ou capsule 3, par exemple une capsule contenant un mélange deutérium-tritium. Pour initialiser une réaction de fusion nucléaire, un grand nombre de faisceaux comme celui 1 de la figure 1 se focalisent sur cette capsule 3. La sortie de la chaîne d'amplification 2 est suivie d'une lentille 4 qui rend le faisceau laser 1 parallèle. Celui-ci se réfléchit ensuite sur plusieurs miroirs 5, 6, 7, 8 avant de traverser par exemple deux cristaux non linéaires 9, 10 dans le but de faire passer le faisceau du domaine de l'infrarouge à celui de l'ultraviolet, c'est-à- dire de passer par exemple d'une longueur d'onde de 1.053 Hm à 0,351 pm. En sortie des cristaux non linéaires, le faisceau laser 1 se réfléchit par exemple sur un miroir 11 avant d'atteindre une deuxième lentille 12 qui le focalise sur la cible 3. Le miroir 11 peut également être un réseau fonctionnant en réflexion ou en transmission. Il peut également ne faire qu'un avec la lentille 12, cas d'un réseau focalisant. L'énergie du faisceau laser focalisé sur cette cible 3 peut atteindre par exemple plusieurs kilojoules. Le pointage et la focalisation sur la cible 3 doivent être par exemple réalisés avec une précision tridimensionnelle de 50 pm, la cible pouvant être positionnée suivant les tirs dans un domaine sphérique de 5 mm de rayon. Le réglage du faisceau 1 sur la cible 3 nécessite généralement d'être effectué, notamment avant chaque tir en raison par exemple de causes multiples de déréglage telles que le déplacement des diverses optiques ou effets non linéaires. La figure 2 présente un exemple de mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention pour réaliser le pointage et la focalisation d'un faisceau laser sur une cible. Cette figure comporte par ailleurs certains des derniers éléments de la figure 1 rencontrés sur le trajet du faisceau laser 1, à savoir le deuxième cristal non linéaire 10, et la lentille 12 de focalisation. Le miroir 11 est remplacé par un dispositif séparateur, par exemple un réseau diffractif ou une lame dichroïque, la cible 3 étant remplacée par une fausse cible réfléchissante 21. Le faisceau peut par exemple être lissé. La figure 2 montre qu'un réseau diffractif ou une lame dichroïque 11 placé en aval du deuxième cristal non linéaire 10 réfléchit la partie du faisceau transmise par les cristaux non linéaire 9, 10 et ayant une longueur d'onde de 0,35 pm, vers la lentille de focalisation 12 et la fausse cible 21. Le dispositif selon l'invention utilise avantageusement les pertes 31 par transmission de ce dispositif séparateur 11. Le dispositif selon l'invention comporte un premier miroir semiréfléchissant 32, un miroir 33, par exemple un filtre 34, un analyseur de surface d'onde 35, la lentille de focalisation 12 et la fausse cible réfléchissante 21, positionnée et orientée identiquement à la cible à l'intérieur des tolérances spécifiées, par exemple à l'aide de deux caméras à axes de visée orthogonaux. La fausse cible 21 est par exemple constituée d'une bille réfléchissante d'un diamètre supérieur à la cible réelle, par exemple 10 mm, dont le centre est placé par exemple au centre de la microbille dans le cas d'un réglage en attaque directe ou au centre d'une des bases du cylindre dans le cas d'une attaque indirecte. Dans ce second cas, la bille est par exemple ensuite placée au centre de l'autre base pour régler les faisceaux convergents vers cette seconde base. Cette bille mobile peut également être remplacée par un cylindre 41 muni à ses extrémités de deux sphères 42, 43, telle qu'illustrée par la figure 3a. Cette bille peut encore par exemple être remplacée par un cylindre 44 muni à ses extrémités de deux hémisphères 45, 46 comme l'illustre la figure 3b. Plus généralement, la fausse cible est par exemple constituée d'une ou plusieurs surfaces sphériques réfléchissantes, centrées sur des points de focalisation spécifiés, positionnées et orientées identiquement à la cible réelle, par exemple à l'aide de deux caméras à axes de visée orthogonaux. Le faisceau réfléchi par la fausse cible réfléchissante traverse le dispositif séparateur 11 pour se réfléchir sur le miroir 33 puis sur le miroir 32 afin d'être dirigé vers l'analyseur de surface d'onde 35, via le filtre 34, pour être analysé par cet analyseur. Le faisceau 31 transmis à travers le dispositif séparateur 11 traverse le miroir semi-réfléchissant pour atteindre le filtre 34 qui ne transmet que la longueur d'onde de l'ultraviolet, celle de 0,35 Hm. Le faisceau est transmis ensuite à l'analyseur de surface d'onde 35. Le front d'onde moyen 38, identique à celui qui est incident sur la fausse cible, qui se propage depuis le cristal non linéaire 10 est quasi plan. En cas de pointage et de focalisation précis sur la fausse cible réfléchissante 21, le front d'onde moyen de retour doit être lui aussi quasi plan, et notamment se confondre avec le front incident. Dans le cas contraire, le pointage et la focalisation ne sont pas assurés. Un dépointage ou une défocalisation sont caractérisés notamment par une déformation asymétrique ou symétrique du front d'onde incident. Le pointage et la focalisation du faisceau sur la fausse cible réfléchissante 21 sont effectués par l'utilisation de l'analyseur de surface d'onde 35. Les mesures de pointage et de focalisation sont réalisées par une analyse différentielle des fronts d'onde incident et réfléchi par la fausse cible. Il s'agit ici d'une analyse à partir du front d'onde incident sur la fausse cible. Le front incident étant sensiblement plan, un pointage et une focalisation correctes se caractérisent par une égalité entre les fronts incident et réfléchi. L'impulsion laser a par exemple une longueur totale de ms avec un pic de 3ms. Sur l'analyseur de surface d'onde, les impulsions aller et retour sont par exemple séparées par un temps correspondant à la différence de chemin parcouru entre leur entrée et leur sortie du dispositif. d(1 1à32) Pour l'onde directe d(11l32) et pour l'onde d'analyse c [d(11 à 12) + d(12 a 21) + d(21 à 12) + d(12 à 11) + d(11 à 33) + d(33 à 32)] / c c étant la vitesse de la lumière, et d(i à j) représentant la distance entre un élément référencé i et un élément référencé j sur la figure 2, compte tenu des distances d, les deux ondes ne sont donc pas présentes simultanément sur l'analyseur 35. Le positionnement transverse des faisceaux sur la fausse cible, c'est-àdire le pointage, et le positionnement longitudinal sur la fausse cible, c'est-à-dire la focalisation, sont par exemple effectués à l'aide de l'analyse de l'empreinte différentielle des faisceaux incident et réfléchi sur l'analyseur de front d'onde. L'analyseur de surface d'onde permet en fait d'analyser les surfaces de fronts d'onde aller et retour. Un tel analyseur, tel l'analyseur de Hartmann par exemple, connu de l'homme du métier comporte des trous ou des micro-lentilles situées dans un même plan. Ces micro-lentilles focalisent le faisceau réfléchi par la fausse cible 23 en de multiples points de convergence de telle sorte que si ce front est plan, les points de convergence sont tous équidistants entre eux. Si le front réfléchi n'est pas plan, les points de convergence ne sont pas équidistants. Le pointage est corrigé en fonction de l'analyse de front d'onde effectuée par exemple par l'analyseur de Hartmann, en jouant par exemple sur la position ou l'orientation des miroirs 5 à 8 disposés dans la chaîne de transport 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 du faisceau depuis la sortie 2 de la chaîne amplificatrice. La focalisation est corrigée en jouant par exemple sur la lentille 12 de focalisation du faisceau sur la fausse cible 21. Un dispositif selon l'invention permet un réglage automatique précis du pointage et de la focalisation d'une chaîne laser sur une cible. Il est simple à mettre en oeuvre et ne nécessite que peu d'éléments. Il permet par ailleurs un réglage aisé et rapide de toutes les chaînes simultanément. Afin d'améliorer le pointage et la focalisation, I'analyseur de surface d'onde du dispositif peut également être relié à des moyens pour piloter un correcteur de surface d'onde implanté dans la chaîne amplificatrice. L'analyseur de surface d'onde permet de maintenir le pointage du système de transport une fois la fausse cible 21 remplacée par la vraie cible 3, en analysant l'évolution du front d'onde incident. Enfin, I'analyseur de surface d'onde permet la mesure à flux nominal du front d'onde incident en amplitude et en phase afin d'optimiser le lissage, I'amplification et le triplage et permet de tenir compte des variations d'alignement lorsque les amplificateurs de chaîne amplificatrice sont en fonctionnement. Le faisceau laser 1 utilisé par le dispositif selon l'invention est par exemple à la longueur d'onde réelle d'utilisation, par exemple 350 nm, provenant d'une chaîne d'amplification fonctionnant en basse énergie ou d'une source annexe. REVENDICATIONS 1. Dispositif de pointage et de focalisation d'un faisceau laser (1) sur une cible (3) à travers une chaîne de transport (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12), caractérisé en ce qu'il comporte au moins une fausse cible réfléchissante (21) positionnée et orientée sensiblement identiquement à la cible (3), une lentille de focalisation (12) du faisceau sur cette fausse cible, un dispositif séparateur (11), un analyseur de front d'onde (35), un miroir (33) et une lame semi-réfléchissante (32), en fin de chaîne le faisceau (1) se focalisant sur la fausse cible (21) après s'être réfléchi sur le dispositif séparateur (11), une partie (31) du faisceau de même longueur d'onde que celle de la partie réfléchie par le dispositif séparateur (11) traversant ce dernier et la lame semi- réfléchissante (32) pour constituer un premier front d'onde (38) se dirigeant vers l'analyseur de surface d'onde (35), le faisceau réfléchi par la fausse cible (21) traversant le réseau séparateur (11) pour se réfléchir sur le miroir (33) et la lame semi-réfléchissante (32) pour constituer un deuxième front d'onde se dirigeant vers l'analyseur de surface d'onde (35), les mesures de pointage et de focalisation étant réalisées au moyen de ce dernier (35) par une analyse différentielle entre les deux fronts d'onde. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'analyseur de surface d'onde (35) est constitué d'un analyseur de Hartmann. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le positionnement transverse et longitudinal des faisceaux sur la fausse cible est mesuré à l'aide de l'analyse de l'empreinte différentielle des faisceaux incident et réfléchi sur l'analyseur de surface d'onde (35). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau laser utilisé (1) est à la longueur d'onde réelle d'utilisation. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fausse cible (21) est constituée d'une ou plusieurs surfaces sphériques réfléchissantes, centrées sur des points de focalisation spécifiés, positionnées et orientées identiquement à la cible réelle. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fausse cible est constituée d'un cylindre (41) muni à ses extrémités de deux sphères (42, 43). 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fausse cible est constitué d'un cylindre (44) muni à ses extrémités de deux hémisphères (45, 46). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'analyseur de surface d'onde (35) est relié à des moyens de pilotage d'un correcteur de surface d'onde implanté dans la chaîne (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 11, 12).