Brevet FR2789217A1 — publié le 20000804

-1 2789217 La présente invention concerne des perfectionnements au brevet 9901059 déposé le ler février 1999. Ce dernier utilise comme organe essentiel un déphaseur azimutal, c'est-à-dire un dispositif dans lequel un faisceau laser est divisé en six faisceaux se propageant dans six secteurs o ils subissent des déphasages proportionnels à l'azimut du secteur, et sont ensuite focalisés en un même point pour former un mode quadripolaire tournant. Dans le présent document comme dans le brevet 9901059 l'onde laser qui entre dans le système est une onde polarisée circulairement ou se propageant selon le mode TEo. Dans le brevet 9901059 les différents déphasages sont réglés par construction. La présente invention concerne des moyens pour régler facilement les différentes phases en agissant sur des vis micrométriques. On obtient ainsi un matériel beaucoup plus facile à construire et à contrôler. Une caractéristique de la présente invention est de contrôler les phases en faisant varier l'inclinaison de lames à faces parallèles. Le calcul de cette variation est aisé: Considérons la figure 1: Une lame à faces parallèles d'épaisseur b et d'indice n est traversée obliquement par une onde plane se propageant dans la direction de l'axe 0oz. L'angle d'incidence i est l'angle que fait cet axe 0oz avec la normale à la lame. Un rayon pénétrant dans la lame au point o est réfracté selon l'angle r et en sort au point o' ayant parcouru dans la lame la distance oo' = b/cos r c'est-à-dire un chemin optique n b /cosr. En l'absence de lame, le chemin optique parcouru entre les surfaces d'ondes normales à Oz passant par o et o' est égal à la projection de oo' sur oZ soit b cos(i - r) l'augmentation de cos r chemin optique dû à la présence de la lame s'écrit donc 1) L = b -cos(i-r) cos r que l'on peut traduire en variation de phase: 2) 02-rb n-cos(i-r) 2) 0 - 2 cos r Les angles i et r étant liés par la loi des sinus, on élimine r et l'on considère 0 comme une fonction de la seule variable i. Pour les petits angles on peut utiliser l'approximation: 3) I 7- cos(i r) i2 3) _=_ (.)(1+ cos r 2 I Cette approximation est suffisante pour étudier les possibilités de réglage: Lorsque l'angle d'incidence i varie de di: 4) dO 2- - i di 2 n Dans le cas o: n 3 3/2, 2 = 10 5 mètre, b = 2.10 3 mètre et pour un angle d'incidence i = 1/3 radian, une variation de phase 0 d'incidence 0 On peut donc obtenir tous les réglages par l'action d'une vis micrométrique ayant une course de un millimètre appliquée en un point situé à 22 millimètres de l'axe de basculement comme illustré fig.3a. La figure 2 illustre le schéma de principe d'un dispositif optique transformant un faisceau parallèle issu d'un laser en faisceau isocline, c'est-à-dire dont les rayons sont, dans un demi plan méridien parallèles entre eux et ont tous la même inclinaison par rapport à l'axe du système.. L'ensemble des lentilles LI et L2 constitue un système afocal du type lunette de Galilée, il agrandit le diamètre du faisceau de rayons parallèles. La lentille L est une lentille dont une face est un cône de révolution.qui donne aux rayons leur inclinaison. Sur la fig. 3a on a désigné par I un bloc de substance transparente de révolution limité latéralement par un cône et axialement, d'une part par un dioptre sphérique de rayon R qui joue le rôle de la lentille divergente LI de la figure 2 et d'autre part par un dioptre torique, dont la méridienne est engendrée par un arc de cercle de rayon R' tournant autour de l'axe du système. Ce dioptre torique a les mêmes propriétés que les lentilles L2 et L réunies. Les rayons R et R' sont liés aux distances focales f et f' par les formules bien connues dans le cas des dioptres sphériques: R R' ) (-1)-- f f' Soit 2a et 4a' les diamètres des dioptres d'entrée et de sortie du bloc transparent I fig.3a. Lorsque la lame à face parallèle désignée par 2 fig.3a est dans un plan perpendiculaire à l'axe du système, l'angle d'incidence i des rayons sur la lame est aussi l'angle d'inclinaison des rayons par rapport à l'axe du système: a 2a' 6) i- f f2 Dans le cas de la figure 3a, i est égal à un tiers de radian. L'invention sera mieux comprise par les explications qui vont être données en corrélation avec la description des figures parmi lesquelles: * la figure I illustre la théorie du déphasage par variation d'inclinaison d'une lame à faces parallèles telle qu'elle est développée ci-dessus. * La figure 2 illustre schématiquement un dispositif optique transformant le faisceau parallèle issu du laser, en faisceau isocline. * Les figures 3a, 3b, 3c illustrent trois aspects d'une lame à faces parallèles à inclinaison réglable. * La figure 4 montre comment le dispositif représenté ici fig.3a se raccorde avec une chambre à deutérium analogue à celle décrite dans le brevet 9901059. Cette chambre est formée par une anode 15 et des cloisons isolantes. La cloison isolante 14 est ici coincée entre la paroi extérieure 5 et la pièce dans laquelle est taillé le miroir 12. Les références 14, 15 et 16 du présent document correspondent aux références 6, 5 et 8 du brevet 9901059. * La figure 5 illustre une coupe méridienne du dispositif de contrôle des phases. * La figures 6 illustre en coupe perpendiculaire à l'axe un ensemble de six languettes qui, en coulissant vers le centre ou vers l'extérieur, sélectionnent les couples de faisceaux dont on compare les phases. Dans le brevet 9901059 le déphaseur azimutal était constitué par une lame dont l'épaisseur variable en fonction de l'azimut était réglée par construction. Le perfectionnement caractéristique de la présente invention consiste à remplacer cette lame par le déphaseur azimutal illustré figure 3a o les six phases des six faisceaux sectoraux sont réglées par l'inclinaison de six lames à faces parallèles telles que celle désignée par 2. Sur les figures 3a, 3b et 3c qui représentent une lame à faces parallèles de divers points de vue, les mêmes chiffres désignent les mêmes organes. La lame à faces parallèles 2 apparaît coupée par un plan méridien sur la figure 3a, elle est vue de face dans un plan perpendiculaire à l'axe du système figure 3b, et vue par la tranche selon une direction radiale figure 3c. Cette lame est portée par une monture triangulaire 3 dans laquelle elle est agrafée en 4 selon les règles de l'art des lunetiers. Cette monture est poussée contre la paroi extérieure 5 par un ressort 6 lui-même rattaché à cette paroi S par une vis 7; elle s'appuie sur cette paroi en trois points: les deux pointes 8 appliquées au fond de la gorge 9 taillée dans la paroi 5 et le troisième point 10 qui est poussé par la vis micrométrique 11. C'est en agissant sur cette vis 11 que l'on règle l'inclinaison de la lame à faces parallèles: l'axe de pivotement est la droite joignant les pointes 8. Le point 10 sur lequel 4-f 2789217 agit la vis 11 étant d'après la figure 3a à environ 22 millimètres de cet axe, le déphasage produit est de 2 7r par millimètre de progression de la vis. La pièce 13 en matière moulée s'insère entre les pièces 5 et 12. Elle constitue un écran percé de six fenêtres qui laissent passer les six faisceaux issus des lames à faces parallèles et absorbent les rayons parasités tels que ceux diffusés entre les lames. Elles portent en outre des protubérances qui s'insèrent entre les montures des lames à faces parallèles et assurent leur indépendance de mouvement. Le dispositif représenté fig.5 est destiné à mesurer les phases relatives des pinceaux lumineux issus de F afin de les régler en amont de F en agissant sur les vis 11. On admet qu'à la traversée de F tous les rayons subissent la même absorption. On les regroupe en un ensemble de six faisceaux que l'on focalise en un point F" o ils pénètrent dans la cellule de mesure par un diaphragme d'ouverture très étroite. Les rayons issus de F rencontrent d'abord le miroir 17 taillé dans la pièce 18, c'est un miroir de révolution à méridienne parabolique, comme le miroir 12, qui transforme les rayons issus du point F en rayons isoclines par rapport à l'axe. Ces rayons isoclines sont transformés en faisceaux de rayons parallèles à l'axe par réflexion sur le miroir conique 19. Le cône 19 est mécaniquement relié au bloc 18 par trois entretoises non représentées pour ne pas compliquer le dessin. Elles sont placées dans l'ombre produite par les entretoises de la pièce 13. La pièce transparente I et le miroir conique 19 ont en commun la propriété de convertir un faisceau de rayons parallèles en faisceau de rayons isoclines ou réciproquement. La pièce 1 agit par réfraction, ce qui laisse plus de place pour loger les lames 2. Le miroir conique 19 agit par réflexion, ce qui permet de réaliser un ensemble plus léger et plus compact. Ces deux organes et les miroirs 12 et 17 constituent un bloc optique solidement relié par trois lames métalliques disposées dans trois plans méridiens régulièrement répartis. L'une de ces lames désignée par 20 est visible sur la figure 5. L'épaisseur de ces lames doit être assez faible pour ne pas gêner la propagation des " aiguilles ". Ce bloc optique est solidement maintenu dans la paroi 14 de la chambre à deutérium, il reçoit l'énergie du laser et émet six faisceaux parallèles réfléchis par le cône 19 qui sortent de la chambre à deutérium par la fenêtre 21. Un dispositif métallique 22 permet d'encastrer la fenêtre 21 dans la cloison 16 de la chambre à deutérium tout en ménageant un passage entre cette chambre et le réservoir à gaz et un raccordement 23 avec la chambre de mesure 24. Lorsque cette chambre 24 est en fonctionnement le réservoir à deutérium est déconnecté. ' La chambre de mesure 24 contient le dispositif 25 qui sélectionne les faisceaux à comparer et une lentille 26 qui les focalise en F". La figure 6 représente le dispositif 25 vu en coupe perpendiculaire à l'axe. Les six faisceaux occupent six vecteurs repérés par les lettres a, b, c, d, e, f Ils se propagent avec des phases différentes réglées par les lames 2. Six languettes coulissantes désignées par 25a, 25b, 25c, d, 25e, 25f contrôlent chacune un faisceau. Lorsqu'une languette est poussée vers le centre, elle intercepte un faisceau. Il en est ainsi pour les languettes 25b, 25c, 25e, 25f Lorsqu'elle est tirée vers l'extérieur elle libère le faisceau; il en est ainsi pour les languettes 25a et 25d. Ainsi sont sélectionnés les faisceaux a et d qui doivent être réglés en opposition de phase. La lentille 26 focalise ces deux faisceaux en F" dans le dispositif de mesure de l'intensité lumineuse. On règle en agissant sur les vis 1 1 de façon à obtenir l'extinction. On procédera de même pour les couples de faisceaux b et e ou c et f Pour des faisceaux tels que a et c qui doivent être déphasés de 2 Jr / 3 l'un par rapport à l'autre on déphase d'abord de ir en éteignant la lumière et partant de cette position sure, on déphase de T Xr / 3 en tournant la vis correspondante, d'un angle calculé. On parvient ainsi à effectuer de proche en proche tous les réglages qui permettent d'obtenir en F le mode quadripolaire tournant propre à déclencher la fusion. Ce mode apparaît lorsque toutes les languettes sont sorties, il est caractérisé par une tache noire au centre situé en F" entourée par une frange circulaire brillante. Pour l'observer commodément, il convient d'agrandir le plus possible l'image obtenue dans le plan d'observation. A cet effet, il faut doter la lentille 26 d'un très long foyer ou mieux lui adjoindre une lentille divergeante 26'. L'ensemble des deux lentilles 26 et 26' forment alors une lunette donnant une image assez grande pour que la distance du centre de la frange brillante au centre de la tache noire soit de l'ordre de 5 k. Le trou d'observation percé en F" a un diamètre de l'ordre d'une fraction de longueur d'onde. Il nous faut maintenant assurer la stabilité de ce mode, c'est-à-dire déceler les erreurs accidentelles et les corriger. En s'inspirant d'une méthode utilisée dans les radars de tir on va définir un système capable de maintenir automatiquement les réglages. Une lame à faces parallèles 27 est sertie dans une monture 28 qui tourne autour d'un axe parallèle à l'axe optique du système. Le roulement à bille 29 permet cette rotation. La monture 28 comporte une collerette par laquelle se fait l'entraînement du mouvement de rotation et le repérage de l'azimut. La lame à faces parallèles 27 d'épaisseur b inclinée d'un angle i déporte l'image d'une distance d dans le sens de la plus grande pente. Pour les petits angles: d hi (n -1) / n A titre d'exemple pour n = 3/2, b = 0,9 10-3 mètre et i = 0,1 radian on a d = 3 k. Le trou d'observation se trouve dans une zone de la figure d'interférence o l'intensité varie comme la distance au centre. Si les réglages sont bons, l'intensité enregistrée est constante en fonction de l'azimut, elle peut être représentée sur un oscillographe par un cercle avec correspondance entre les azimuts sur ce cercle et la position des six faisceaux tels qu'ils apparaissent sur la figure 6. Un déphasage accidentel antisymétrique concernant les faisceaux d'une paire telle que a et d se traduit par un décentrage du cercle dans la direction a d. Pour y remédier, il faut agir antisymétriquement sur la vis de réglage jusqu'à ce que le cercle soit recentré... De même, pour les autres paires b, e et c, f Un écart accidentel de phase des oscillations de chacune de ces paires par rapport au triphasé équilibré se traduit par une ovalisation du cercle de représentation dans une certaine direction. Connaissant l'aplatissement de l'ellipse qui en résulte, et la direction de ses axes en fonction des écarts de phases et en ajoutant que la somme des trois écarts de phase est nulle on a trois équations qui permettent de calculer les trois écarts de phase et de les corriger en agissant symétriquement sur les trois paires de vis correspondant aux trois paires de faisceaux. L'oscillographe dont il a été question ci-dessus est une image utile à l'exposé, mais pratiquement c'est un ordinateur qui détermine toutes les corrections à faire afin de maintenir le bon fonctionnement de l'appareil en marche. L'onde émise par le laser est transformée par le dispositif optique décrit ci-dessus en mode quadripolaire tournant focalisé en F. Comme on l'a montré dans le brevet 9901059 on provoque ainsi une émission " d'aiguilles " dont l'énergie initiale est insignifiante. Mais ces " fournit la puissance industrielle. R E V E N D I C A T I O N S 1/ Générateur de puissance électrique constitué par une chambre contenant un mélange deutérium-hydrogène, dans laquelle l'énergie d'un puissant laser à impulsions est focalisée après avoir été transformée en traversant un "déphaseur azimutal" dans lequel les déphasages sont causés par l'inclinaison réglable de lames à faces parallèles, elle provoque la formation d'un plasma confiné à partir duquel, dans une zone voisine du plan focal, des "aiguilles" sont lancées qui entrainent un courant électrique aboutissant à une anode circulaire entourant le foyer, le circuit d'utilisation est branché entre l'anode et le dispositif métallique utilisé comme focalisateur du faisceau laser. 2/ Dispositif selon revendication 1/ dans lequel le système focalisateur est constitué d'une part par un bloc transparent, limité à son entrée par un dioptre sphérique et à sa sortie par un dioptre torique et d'autre part par un miroir métallique de révo- lution dont la méridienne est constituée par un arc de parabole ayant son foyer sur l'axe de révolution du système optique, l'axe de la parabole étant dans le plan méridien, orienté selon la direction commune des rayons issus du bloc transparent. 3/ Dispositif selon revendication 1/ dans lequel les lames à faces parallèles qui controlent le déphasage sont portées par des montures triangulaires métalliques qui s'appuient en trois points sur la face interne de la paroi, deux des points sont constitués par des pointes engagées dans une gorge circulaire taillée dans la paroi, le troisième point est en contact avec une vis micrométrique qui règle l'inclinaison des lames, l'ensemble étant plaqué contre la paroi par un ressort. 4/ Dispositif selon revendication 1/ dans lequel les rayons issus du foyer sont recueillis par un système optique qui les regroupe en un ensemble de faisceaux parallèles qui sor- tent de la chambre à deutérium par une fenêtre communiquant avec la chambre de mesure. / Dispositif placé dans la chambre de mesures selon revendi- cations 1/ et 4/ dans lequel les faisceaux parallèles sont sélectionnés deux par deux par un système de languettes coulissantes qui obturent les faisceaux non sélectionnés; les deux faisceaux sélectionnés sont focalisés dans un diaphragme constituant l'entrée de la cellule de mesures, le réglage de la position des lames à faces parallèles se fait en agissant sur des vis micrométriques de façon à obtenir l'extinction de l'énergie laser entrant dans la cellule de mesure optique. 6/ Dispositif selon revendications I/,4/ et 5/ dans lequel les languettes étant enlevées après un premier réglage, on recher- che un réglage plus fin ou un rattrapage automatique des réglages en cas de dérive accidentelle: une lame à face parallèle disposée de telle sorte que sa normale fasse un angle fixe avec l'axe optique du système est entrainée dans un mouvement de rotation autour de cet axe optique, elle est placée devant le diaphragme d'entrée de la cellule de mesure et fait rourner le figure d'interférence de telle sorte que la zône explorée par le diaphragme décrive un cercle autour du centre de la figure d'interférence; on déduit de la courbe d'intensité enregistrée par la cellule en fonction de l'azimut de la rotation les corrections qu'il faut faire subir aux vis pour obtenir un réglage parfait.