Brevet FR2830935A1 — publié le 20030418

La présente invention concerne un dispositif de mesure thermoélectrique 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 temporel- lement 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, dans le sens de propagation d'une impulsion laser illuminant ledit dispositif : - des moyens d'atténuation d'impulsion laser, comprenant au moins deux lames absorbantes, dont la première, dans ledit sens de propagation, présente des caractéristiques physico-chimiques telles que le rapport entre, d'une part, la contrainte interne maximale (en N. m-2) susceptible d'être engendrée lors d'une illumination dudit dispositif de mesure et, d'autre part, la contrainte de rupture (en N. m-2) est inférieur ou égal à une première valeur prédéterminée, qui est de préférence au plus approximativement égale à 0,2, lesdits moyens d'atténuation présen- tant de plus une épaisseur inférieure ou égale à une seconde valeur pré- déterminée ; et - des moyens de détection thermoélectrique séparés desdits moyens d'atténuation et comprenant : . au moins un élément thermorésistif présentant une résistance électri- que variable, dont la valeur est représentative, lors d'une illumination du dispositif de mesure par une impulsion laser, de l'énergie de cette dernière ; et . des moyens pour évaluer, lors d'une illumination, la valeur de ladite résistance électrique et en déduire l'énergie de ladite impulsion laser, représentant 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 en parti- culier, de ladite première lame absorbante ; - d'obtenir une durée de mesure réduite, notamment en raison de l'épais- seur limitée des moyens d'atténuation, qui est de préférence inférieure ou égale à 30 mm environ, et du mode de détection 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 "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 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, avantageusement, ledit élément thermorésistif est réalisé sous forme d'une piste résistive, de préférence en nickel, déposée sur un support inerte, c'est-à-dire un support qui est réalisé dans une matière (par exemple vitrocéramique) peu sensible aux conditions qui lui sont imposées (échauffement, vibrations, dilatation,...) afin de ne pas perturber la détection. En outre, le dispositif conforme à l'invention est pourvu, de façon avantageuse, d'un logement séparé pour recevoir lesdits moyens d'évaluation de la valeur de la résistance électrique et ledit logement comprend une première paroi en regard de l'élément thermorésistif, qui est réalisée en un matériau thermiquement isolant, et une seconde paroi opposée à ladite première paroi et réalisée en un matériau thermiquement conducteur, ce qui permet d'évacuer efficacement la chaleur engendrée par le fonctionnement desdits moyens d'évaluation, sans pour autant perturber thermiquement l'élément thermorésistif et donc sans perturber les mesures. De préférence, lesdits moyens d'évaluation de la résistance électrique de l'élément thermorésistif comportent un système de traitement électronique pourvu d'un pont de Wheatstone, dans lequel est intégré ledit élément thermorésistif. 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 en coupe 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, concernant les moyens d'atténuation, selon l'épaisseur de ces derniers, respectivement pour deux modes de réalisation différents. La figure 4 est une vue schématique et partielle, en coupe, d'une structure de détection thermoélectrique conforme à l'invention. La figure 5 est une vue partielle de dessus de la structure de la figure 4. La figure 6 illustre schématiquement un système de traitement électronique associé à un élément thermorésistif conforme à l'invention. Le dispositif 1 conforme à l'invention et représenté schématiquement sur la figure 1 est destiné à la mesure de l'énergie d'une impulsion laser, illustrée par des flèches EO, à haute énergie. Selon l'invention, ledit dispositif 1 comporte dans le sens de propagation d'une impulsion laser EO illuminant ledit dispositif 1 : - des moyens 2 d'atténuation d'impulsion laser, comportant au moins deux lames absorbantes 3A, 3B et 4A, 4B précisées ci-dessous et réali- sant une atténuation, comme illustré par des flèches E1 (relativement aux flèches EO) ; - une structure 5 comportant au moins un élément thermorésistif 6 pré- sentant une résistance électrique variable, dont la valeur est représenta- tive, lors d'une illumination du dispositif de mesure 1 par une impulsion laser, de l'énergie de cette dernière ; et - des moyens électroniques 7 étalonnés de façon connue, pour évaluer lors d'une telle illumination la valeur de ladite résistance électrique et en déduire l'énergie de ladite impulsion laser, représentant l'énergie mesu- rée. 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=a/P entre, d'une part, la contrainte interne maximale a (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 R1, R2 ; et - lesdits moyens d'atténuation 2 présentent, de plus, une épaisseur infé- rieure ou égale à une seconde valeur prédéterminée d 1, 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 e 1 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 ; - 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 (par exemple vitrocéramique) 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 2 sont montés sur un support souple 2A, dont la raideur est déterminée, de façon connue, de ma- nière à amortir les chocs thermomécaniques susceptibles d'apparaître lors des mesures. En outre, comme on peut le voir sur les figures 4 et 5, l'élément thermorésistif 6 est déposé sur une plaque de support 8 sous forme d'une piste thermorésistive qui présente, par exemple, une épaisseur de 1 pm environ et une résistance de l'ordre de 100 à 1000 ohms. A cet effet, une couche d'accrochage 9, de préférence en titane et d'épaisseur 10 nm environ, est prévue entre la piste thermorésistive 6 et la plaque de support 8 qui est inerte et est réalisée, par exemple, en un matériau vitrocéramique. L'élément thermorésistif 6 est réalisé de préférence en nickel, ce métal présentant de bonnes qualités de résistance physico-chimique et un coefficient thermorésistif élevé. Bien entendu, les caractéristiques thermiques de cet élément thermorésistif 6 sont déterminées de manière à obtenir une élévation de température compatible avec la tenue mécanique du dispositif 1. Quant aux moyens d'évaluation 7, ils comportent, dans un mode de réalisation préféré, un circuit électronique 11 représenté sur la figure 6 et comprenant : - un générateur de tension 12, à fréquence fo élevée par rapport aux phénomènes thermiques apparaissant hors de l'illumination du dispositif de mesure 1 par une impulsion laser. A titre d'exemple, la fréquence fo est égale à environ 5 kHz ; - un pont de Wheatstone 13 alimenté par le générateur de tension 12 et comportant trois résistances 14 à 16 à valeurs fixes et une résistance variable représentant ledit élément thermorésistif 6 ; - un amplificateur différentiel 17 relié à la sortie dudit pont de Wheatstone 13 ; - un filtre passe-bande 18 réalisant un filtrage de type passe-bande, de valeur Af ge 100 Hz, autour de la fréquence fo ; - des moyens 19 de détection synchronisée avec la fréquence fo, comme illustré par une flèche 20 ; - un filtre passe-bande 21 réalisant un filtrage de type passe-bande, de valeur Af 100 Hz, autour de la fréquence nulle ; et - un convertisseur analogique-numérique 22 susceptible de transmettre par une liaison 23 un signal représentatif de la valeur mesurée de l'énergie d'une impulsion laser qui a illuminé le dispositif 1. Cette liaison 23 peut être reliée à un dispositif utilisateur non représenté, par exemple un moyen d'affichage. Par ailleurs, lesdits moyens d'évaluation 7 sont logés dans un logement 24 prévu dans la partie arrière du dispositif de mesure 1, comme représenté schématiquement sur la figure 1. Ce logement 24 comprend notamment : - une paroi arrière 25 réalisée en un matériau thermiquement conducteur, pour évacuer le dégagement thermique produit par le fonctionnement des circuits électroniques des moyens d'évaluation 7 ; et - une paroi avant 26, réalisée en un matériau thermiquement isolant, pour éviter que ledit dégagement thermique ne perturbe le comportement de l'élément thermorésistif 6 et les mesures du dispositif 1. De préférence, le dispositif 1 est entouré au moins partiellement d'un boîtier réalisé également en un matériau thermiquement conducteur. Ainsi, grâce à l'invention, le dispositif 1 présente en plus des avantages précités : - une durée de transmission de la mesure réduite, de l'ordre de 2 minu- tes ; - une tenue au flux élevée ; et - l'avantage de mesurer directement l'énergie de l'impulsion laser inci- dente. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de l'énergie d'une impulsion laser, à haute énergie, caractérisé en ce qu'il comporte, dans le sens de propagation d'une impulsion laser illuminant ledit dispositif : - des moyens (2) d'atténuation d'impulsion laser, comprenant au moins deux lames absorbantes (3A, 3B ; 4A, 4B), dont la première (3A, 3B), dans ledit sens de propagation, présente des caractéristiques physico- chimiques telles que le rapport entre, d'une part, la contrainte interne maximale susceptible d'être engendrée lors d'une illumination dudit dis- positif de mesure (1) et, d'autre part, la contrainte de rupture est infé- rieur ou égal à une première valeur prédéterminée, lesdits moyens d'at- ténuation (2) présentant de plus une épaisseur (dl, d2) inférieure ou égale à une seconde valeur prédéterminée ; et - des moyens de détection thermoélectrique séparés desdits moyens d'atténuation (2) et comprenant : . au moins un élément thermorésistif (6) présentant une résistance électrique variable, dont la valeur est représentative, lors d'une illu- mination du dispositif de mesure (1) par une impulsion laser, de l'énergie de cette dernière ; et . des moyens (7) pour évaluer, lors d'une illumination, la valeur de la- dite résistance électrique et en déduire l'énergie de ladite impulsion laser, représentant 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 (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 ledit élément thermorésistif (6) est réalisé sous forme d'une piste résistive déposée sur un support (8). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit élément thermorésistif (6) est réalisé en nickel. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est pourvu d'un logement séparé (24) pour recevoir lesdits moyens (7) d'évaluation de la résistance électrique de l'élément thermorésistif (6) et en ce que ledit logement (24) comprend une première paroi (26) en regard de l'élément thermorésistif (6), qui est réalisée en un matériau thermiquement isolant, et une seconde paroi (25) opposée à ladite première paroi (26) et réalisée en un matériau thermiquement conducteur. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits moyens (7) d'évaluation de la résistance électrique de l'élément thermorésistif (6) comportent un système de traitement électronique (11) pourvu d'un pont de Wheastone (13), dans lequel est intégré ledit élément thermorésistif (6).