Brevet FR2830934A1 — publié le 20030418

La présente invention concerne un dispositif de mesure photoélectrique de l'énergie d'une impulsion laser, à haute énergie. Dans le cadre de la présente invention, on entend par haute énergie une énergie d'impulsion laser pouvant atteindre plusieurs centaines de kilo-Joules. Les dispositifs de mesure utilisés pour mesurer de telles énergies (élevées) doivent donc présenter une haute tenue au flux. Plus précisément, les dispositifs considérés dans le cadre de la présente invention doivent présenter une tenue à la densité surfacique de flux supérieure à une dizaine de Joules/cm2. On sait que, généralement, les dispositifs de mesure d'énergie connus ne mesurent pas directement l'énergie du flux laser, mais sa puissance, et en déduisent l'énergie au moyen d'une intégration temporelle, en tenant compte du fait que l'énergie d'un signal est égale à l'intégrale tem- porelle de la puissance d'icelui. De façon connue, les dispositifs de mesure de puissance comportent généralement : - un élément en forme de plaque qui est sensible au flux thermique le tra- versant et qui est muni à cet effet d'éléments qui détectent une tempé- rature différentielle, tels qu'un thermocouple par exemple ; - un matériau absorbant le flux incident, qui recouvre la face avant desti- née à être soumise à une illumination laser, dudit élément en forme de plaque ; et - des moyens contrôlables pour appliquer une puissance électrique sur la face arrière de ladite plaque, opposée à celle portant ledit matériau absorbant. Lors d'une illumination dudit dispositif de mesure, on fait varier la puissance électrique appliquée sur la face arrière, jusqu'à obtenir un régime thermique permanent correspondant à un flux thermique nul dans ladite plaque. On déduit alors la puissance du flux laser incident qui est supposée être égale à la puissance électrique appliquée sur la plaque, lors de l'obtention dudit régime thermique permanent. Les dispositifs connus du type précité présentent de nombreux inconvénients. Notamment, l'absorption d'énergie par ledit matériau absorbant, généralement un"verre", provoque un échauffement proportionnel au taux linéique d'absorption dudit matériau. Pour limiter cet échauffement, il convient donc de choisir un verre présentant un taux linéique d'absorption réduit, ce qui nécessite toutefois de prendre un matériau présentant une épaisseur importante, pour obtenir une absorption suffisante. Or, une épaisseur importante entraîne d'autres inconvénients, en particulier une augmentation du temps de mesure et du temps de traversée de la plaque par l'énergie (ou le signal) thermique. Par conséquent, le signal sur la face arrière est retardé temporellement et diminué en amplitude. La propagation thermique étant ainsi temporellement longue, des fluctuations thermiques ambiantes se manifestent au niveau du détecteur thermique et il en résulte une perturbation qui est généralement importante, d'autant plus que le signal thermique utile est fortement atténué. Par ailleurs, le matériau absorbant subit un choc thermomécanique qui l'amène à vibrer, les vibrations étant d'autant plus importantes que le matériau absorbant est mince et l'échauffement est important, ce qui perturbe bien entendu également les mesures. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients. Elle concerne un dispositif présentant une haute tenue au flux et permettant de mesurer directement, de façon précise et rapide, l'énergie d'une impulsion laser à haute énergie. A cet effet, selon l'invention, ledit dispositif de mesure de l'énergie d'une impulsion laser, à haute énergie, est remarquable en ce qu'il comporte au moins une unité de mesure qui comprend, dans le sens de propagation d'une impulsion laser illuminant ledit dispositif : - des moyens d'atténuation et d'uniformisation d'impulsion laser, comprenant au moins deux lames absorbantes, dont la première, dans ledit sens de propagation, présente des caractéristiques physico-chimi- ques telles que le rapport entre, d'une part, la contrainte interne maxi- male (en N. m-2) susceptible d'être engendrée lors d'une illumination du- dit dispositif et, d'autre part, la contrainte de rupture (en N. m-2) est inférieur ou égal à une première valeur prédéterminée, qui est de préfé- rence au plus approximativement égale à 0,2, lesdits moyens d'atténua- tion et d'uniformisation présentant de plus une épaisseur inférieure ou égale à une seconde valeur prédéterminée ; - des moyens de diffusion ; et - des moyens de détection photoélectrique comprenant : . au moins un élément photoélectrique susceptible d'émettre un cou- rant électrique, dont la valeur est représentative, lors d'une illumina- tion dudit dispositif de mesure par une impulsion laser, de l'énergie de cette dernière ; et . des moyens pour évaluer, lors d'une telle illumination, la valeur dudit courant électrique et en déduire l'énergie de ladite impulsion laser, qui représente l'énergie mesurée. Ainsi, grâce à l'invention, ledit dispositif permet : - de mesurer directement l'énergie d'une impulsion laser, à haute éner- gie ; - d'obtenir une tenue au flux élevée, en raison des caractéristiques physico-chimiques particulières des moyens d'atténuation et d'uniformi- sation, et en particulier, de ladite première lame absorbante ; - d'obtenir une durée de mesure réduite, notamment en raison de l'épais- seur limitée des moyens d'atténuation et d'uniformisation, qui est de préférence inférieure ou égale à 30 mm environ, et du mode de détec- tion thermoélectrique prévu ; et - de réaliser des mesures précises, en raison dudit mode de détection thermoélectrique, qui est précisé ci-dessous. Dans un premier mode de réalisation, les lames absorbantes des moyens d'atténuation sont réalisées en verre, par exemple un verre connu de type"Schott NG12"d'épaisseur 20 mm pour la première lame absorbante et un verre"Schott NG11"d'épaisseur 10 mm pour une seconde lame absorbante. En outre, dans un second mode de réalisation préféré, ladite première lame absorbante est réalisée en céramique, par exemple d'épaisseur 10 mm, et les moyens d'atténuation et d'uniformisation comportent au moins une seconde lame réalisée en verre, de préférence en verre"Schott NG5"d'épaisseur 5 mm. Ainsi, grâce à l'utilisation de la lame en céramique, l'élévation de température est réduite et la contrainte thermomécanique est très faible sur la face avant de ladite lame. Dans ce cas, la première valeur prédéterminée peut être beaucoup plus réduite que la valeur (0,2) précitée. Par ailleurs, de façon avantageuse, ladite face avant de la première lame absorbante présente une forme, de préférence sphérique, permettant d'optimiser l'uniformisation de l'impulsion laser, en fonction de ses caractéristiques optiques (répartition spatiale,...). En outre, dans un mode de réalisation préféré, le dispositif conforme à l'invention comporte une pluralité d'unités de mesure, qui sont agencées sous forme de matrice, par exemple une matrice à 4x4 unités de mesure. Ceci permet notamment de former une surface de détection adaptée à l'impulsion laser, dont on veut mesurer l'énergie. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 illustre schématiquement un dispositif de mesure conforme à l'invention. Les figures 2 et 3 représentent des graphiques qui montrent les valeurs de caractéristiques mécaniques et thermiques de moyens d'atténuation et d'uniformisation, en fonction de leur épaisseur, respectivement pour deux modes de réalisation différents. Le dispositif 1 conforme à l'invention et représenté schématiquement sur la figure 1 est destiné à mesurer l'énergie d'une impulsion laser, illustrée par des flèches EO, à haute énergie. Selon l'invention, ledit dispositif 1 comporte au moins une unité de mesure UM d'axe optique X-X, qui comprend dans le sens de propagation d'une impulsion laser EO illuminant ledit dispositif 1 : - des moyens 2 d'atténuation et d'uniformisation d'impulsion laser, trans- formant une impulsion incidente illustrée par des flèches EO en une impulsion corrigée, illustrée par des flèches E 1. Lesdits moyens 2 comportent, à cet effet, au moins deux lames absorbantes 3A, 3B et 4A, 4B précisées ci-dessous en référence aux figures 2 et 3 ; - des moyens de diffusion 5 de type connu, par exemple en verre dépoli ou en céramique dépolie ; et - des moyens de détection photoélectrique 6 comprenant : . au moins un élément photoélectrique 7, de préférence une photo- diode, susceptible d'émettre un courant électrique, dont la valeur est représentative, lors d'une illumination dudit dispositif de mesure 1 par une impulsion laser, de l'énergie de cette dernière ; et . des moyens 8 reliés par une liaison L 1 à l'élément photoélectrique 7 et étalonnés convenablement de façon connue, pour évaluer lors d'une telle illumination la valeur dudit courant électrique et en déduire l'énergie de ladite impulsion laser, qui représente l'énergie mesurée. Les moyens de diffusion 5 sont formés de manière à permettre à l'élément photoélectrique 7 de capter l'énergie lumineuse uniformisée par les moyens 2, comme illustré par des flèches F. De plus, selon l'invention, la face avant 9 des moyens 2 (et en particulier la face avant de la première lame absorbante 3A, 3B) présente une forme permettant d'optimiser l'uniformisation de l'impulsion laser, en fonction de ses caractéristiques optiques, et notamment, de sa répartition spatiale. Dans un mode de réalisation particulier, cette forme obtenue par exemple par polissage est une forme sphérique. Dans ce cas, la densité optique qui en résulte varie quadratiquement avec la distance par rapport à l'axe optique X-X. La transmission optique présente donc la forme d'une courbe dite gaussienne. De plus, selon l'invention : - la première lame absorbante 3A, 3B dans le sens de propagation d'une impulsion laser EO à mesurer, présente des caractéristiques physico- chimiques telles que le rapport R==o/P entre, d'une part, la contrainte interne maximale o (en N. m-2) susceptible d'être engendrée lors d'une illumination dudit dispositif de mesure 1 et, d'autre part, la contrainte de rupture P (en N. m-2), est inférieur ou égal à une première valeur pré- déterminée RI, R2 ; et - lesdits moyens d'atténuation et d'uniformisation 2 présentent, de plus, une épaisseur maximale inférieure ou égale à une seconde valeur prédé- terminée d1, d2. Dans un premier mode de réalisation représenté sur la figure 2 : - la première lame d'absorption 3A présente une épaisseur e1 et la se- conde lame 4A une épaisseur e2. De préférence, la lame 3A est réalisée en un verre "Schott NG12" et la lame 4A en un verre"Schott NG11"et les épaisseurs e1 et e2 valent respectivement 20 et 10 millimètres (d 1 = 30 mm) ; - le rapport R de la lame 3A est inférieur ou égal à la valeur R1 telle que, de préférence : R1 =0, 2 ; et - l'élévation de température AT sur la face avant de la lame absorbante 2 3A, pour une densité surfacique de flux de 1 J/cm2, est inférieure à 20 K. Par ailleurs, dans un second mode de réalisation préféré et représenté sur la figure 3 : - la première lame d'absorption 3B est réalisée en une céramique qui est un mélange hétérogène de matière vitreuse et de matière cristalline et présente une épaisseur e3, de préférence égale à 10 millimètres ; - la lame 48 est réalisée en verre, de préférence en un verre"Schott NG5"d'épaisseur e4 égale à 5 millimètres (d2 = 15 mm) ; - le rapport R de la lame 3A est inférieur ou égal à R2 = 0,01 ; et - l'élévation de température AT sur la face avant de la lame absorbante 3B est inférieure ou égale à 30K, pour une densité surfacique de 2 1 J/cm2. En outre, par rapport à la lame 3A de la figure 2, la lame 3B pré- sente un coefficient de dilatation très faible de sorte que la contrainte thermomécanique en face avant est très réduite. Par ailleurs, les moyens d'atténuation et d'uniformisation 2 sont montés sur un support souple non représenté, dont la raideur est déterminée, de façon connue, de manière à amortir les chocs thermomécaniques susceptibles d'apparaître lors des mesures. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif 1 comporte une pluralité de n unités de mesure UM, telles que celle représentée sur la figure 1, lesdites unités de mesure UM étant agencées sous forme de matrice, par exemple une matrice 4x4. Dans ce cas, les moyens 8 qui comportent au moins un circuit électronique de traitement de signal électrique, sont réalisés sous forme d'une seule unité et ils sont reliés aux éléments photoélectriques 7 des différentes unités de mesure UM par l'intermédiaire de liaisons L 1 à Ln représentées sur la figure 1. La valeur de l'énergie d'une impulsion laser mesurée, qui est déterminée par les moyens 8 peut être transmise à un dispositif utilisateur non représenté, par exemple un moyen d'affichage, par l'intermédiaire d'une liaison 10. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de l'énergie d'une impulsion laser, à haute énergie, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une unité de mesure (UM) qui comprend, dans le sens de propagation d'une impulsion laser illuminant ledit dispositif (1) : - des moyens (2) d'atténuation et d'uniformisation d'impulsion laser, comprenant au moins deux lames absorbantes (3A, 3B ; 4A, 4B), dont la première, dans ledit sens de propagation, présente des caractéristi- ques physico-chimiques telles que le rapport entre, d'une part, la contrainte interne maximale susceptible d'être engendrée lors d'une illumination dudit dispositif (1) et, d'autre part, la contrainte de rupture est inférieur ou égal à une première valeur prédéterminée, lesdits moyens (2) d'atténuation et d'uniformisation présentant de plus une épaisseur inférieure ou égale à une seconde valeur prédéterminée ; - des moyens de diffusion (5) ; et - des moyens de détection photoélectrique (6) comprenant : . au moins un élément photoélectrique (7) susceptible d'émettre un courant électrique, dont la valeur est représentative, lors d'une illu- mination dudit dispositif de mesure (1) par une impulsion laser, de l'énergie de cette dernière ; et . des moyens (8) pour évaluer, lors d'une telle illumination, la valeur dudit courant électrique et en déduire l'énergie de ladite impulsion la- ser, qui représente l'énergie mesurée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite seconde valeur est approximativement égale à 30 mm. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite première valeur est au plus approximativement égale à 0, 2. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les lames absorbantes (3A, 4A) des moyens d'atténuation (2) sont réalisées en verre. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite première lame absorbante (3B) est réalisée en céramique, et en ce que lesdits moyens d'atténuation et d'uniformisation (2) comportent au moins une seconde lame absorbante (4B) réalisée en verre. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la face avant (9) de ladite première lame absorbante (3A, 3B) présente une forme permettant d'optimiser l'uniformisation de l'impulsion laser, en fonction des caractéristiques optiques de ladite impulsion laser. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la face avant (9) de ladite première lame absorbante (3A, 3B) présente une forme sphérique. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit élément photoélectrique (7) est une photodiode. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'unités de mesure (UM), qui sont agencées sous forme de matrice.