Brevet FR2939529A1 — publié le 20100611

Dispositif optique de contrôle de l'orientation et de la position d'une surface en mouvement par mesure interférométrique et source secondaire générée par interaction laser-matière comprenant un tel dispositif Le domaine de l'invention est celui des dispositifs de contrôle de l'orientation et de la position d'une surface en mouvement et notamment d'une surface destinée à servir de cible pour un faisceau laser primaire afin de générer un faisceau secondaire (X-UV, électrons, protons,...) par interaction avec ladite cible. Ce type de dispositif trouve notamment des applications dans le domaine de la génération d'harmoniques d'ordre élevé par interaction laser-matière sur cible solide, correspondant à la génération d'un champ électromagnétique de longueur d'onde extrêmement courte, de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres, ces harmoniques pouvant être mises en phase afin de générer des impulsions de durée attoseconde (en pratique de l'ordre de quelques 10-17 ou 10-16 seconde), de telles sources de rayonnement étant par exemple recherchées dans l'analyse de phénomènes ultra-rapides à l'échelle sub-atomique. Actuellement il existe des sources harmoniques issues de l'interaction de laser femtoseconde sur cible solide, cependant ces dernières sont réalisées à basse voire très basse cadence de répétition ( Pour résoudre les problèmes précités d'instabilité de positionnement et d'orientation de la cible en mouvement, la présente invention a pour objet un dispositif optique interférométrique permettant de déterminer et de compenser lesdites instabilités de positionnement et d'orientation lors du mouvement de la cible. Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif optique de contrôle de l'orientation et de la position d'une surface en mouvement par mesure interférométrique, caractérisé en ce qu'il comporte : - un faisceau laser de contrôle, séparé en deux bras, dont l'un est un faisceau référence, fixe, et l'autre est un faisceau d'analyse réfléchi par la surface en mouvement et mobile; - des moyens pour faire interférer lesdits faisceaux référence et d'analyse de manière à générer des franges d'interférences ; - des moyens pour imager les franges d'interférences, porteuses des informations d'orientation et de position de ladite surface de type 30 caméra ; - des moyens d'analyse desdites images d'interférences ; - des moyens pour générer une boucle de rétroaction de contrôle de l'orientation et de la position de ladite surface en mouvement à partir de l'analyse dudit signal porteur d'informations. Selon une variante de l'invention, les moyens d'analyse desdites images d'interférences comportent des moyens d'analyse temporelle des paramètres suivants : - la variation du pas du réseau de franges correspondant au nombre 5 de franges d'interférences imagées sur la caméra ; - le décalage du réseau de franges en terme de position du réseau de franges d'interférences par rapport au bord de la caméra ; - l'inclinaison des franges d'interférences correspondant à l'angle des franges par rapport à un axe vertical de la caméra défini dans un plan 10 sensiblement parallèle à celui de la surface en mouvement. Selon une variante de l'invention, les moyens pour générer une boucle de rétroaction comprennent un ensemble d'actuateurs motorisés couplés à ladite surface en mouvement et disposés en trait-point-plan, dans un plan sensiblement parallèle à celui de la surface en mouvement pour 15 régler l'orientation et la position de ladite surface. Selon une variante de l'invention, le faisceau laser de contrôle est généré par un laser Hélium-Néon stabilisé en fréquence. Selon une variante de l'invention, la surface en mouvement est un disque de verre, de métal, de plastique. 20 Selon une variante de l'invention, les moyens pour faire interférer lesdits faisceaux référence et d'analyse de manière à générer des franges d'interférences comportent deux séparateurs de faisceaux et un miroir de renvoi. Selon une variante de l'invention, le dispositif comporte en outre 25 des moyens pour élargir le diamètre dudit faisceau primaire placés en amont de la séparation du faisceau d'analyse, de manière à couvrir la surface de détection de la caméra. Ainsi selon l'invention il est proposé un dispositif de stabilisation compatible avec une cible en mouvement permettant une interaction laser- 30 matière à très haut taux de répétition, typiquement au kiloHertz (mille interactions par seconde) dans le cas d'une interaction par une source primaire de type faisceau laser impulsionnel de très forte intensité, à haut taux de répétition (de l'ordre du kiloHertz), typiquement la matière avec laquelle interagit le faisceau pouvant être en verre, en métal, en plastique ,... C'est pourquoi l'invention a aussi pour objet un dispositif de génération de source secondaire issue d'une source optique primaire d'une certaine longueur d'onde focalisée sur une cible solide en mouvement, avec laquelle l'interaction génère un faisceau secondaire (X-UV, électrons, protons,...), ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un dispositif optique de contrôle de l'orientation et de la position du point d'émission de ladite source secondaire sur ladite surface selon l'invention. Selon une variante de l'invention, le faisceau laser de contrôle est généré par une source laser continue ayant une longueur d'onde inférieure ou égale à la longueur d'onde de la source optique primaire pour assurer une grande précision de mesure. Selon une variante de l'invention, la surface en mouvement est montée sur un porte-cible, ledit porte-cible étant équipé de moyens de mise en rotation de ladite surface et de moyens de translation de ladite surface. Selon une variante de l'invention, le porte-cible et la surface en mouvement sont utilisés dans une enceinte à vide. Selon une variante de l'invention, la source optique primaire est une source laser impulsionnelle femtoseconde (10-15 secondes). Selon une variante de l'invention, la source secondaire est un 20 faisceau laser harmonique de la source primaire d'une durée de quelques dizaines à quelques centaines d'attosecondes. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à 25 la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - les figures 1 schématise le dispositif de contrôle de l'orientation et de la position d'une surface en mouvement selon l'invention ; - les figures 2a, 2b, 2c et 2d illustrent les différentes positions 30 pouvant être prises par la surface en mouvement et leur répercussions sur les franges d'interférences ; - les figures 3a, 3b et 3c illustrent différentes vues d'un exemple de porte-cible sur lequel est montée la cible destinée à générer une source secondaire par interaction d'une source optique primaire 35 et de la matière; les figures 4a et 4b illustrent respectivement des franges d'interférences visibles sur la caméra et des informations de position (en micromètres) recueillies au niveau de ladite caméra depuis ces franges dans le dispositif de l'invention; la figure 5 illustre un exemple de dispositif de source secondaire comportant un dispositif de contrôle selon l'invention, la source secondaire représentée étant le faisceau harmonique générée par l'interaction. Le dispositif de contrôle proposé dans la présente invention est illustré de manière schématique en figure 1. Une cible 10 est illuminée par un faisceau laser de contrôle 11 en une zone d'impact Zi. Ce faisceau laser peut avantageusement être un laser de type Helium-Néon, stabilisé en fréquence, présentant une grande longueur de cohérence. Cette illumination génère un faisceau optique d'analyse réfléchi 12. Deux séparateurs de faisceau, un miroir fixe suffisent pour monter l'interféromètre de type Mach-Zehnder. Le faisceau est d'abord séparé en deux bras via un premier séparateur 131, un premier bras est dirigé en direction d'un miroir fixe 132 et un second bras est dirigé vers la cible. Ils sont ensuite recombinés grâce à un deuxième séparateur de faisceaux 133, et envoyés sur la caméra, où ils interfèrent et génèrent un faisceau 11/12 produisant des franges d'interférences que le dispositif de l'invention propose d'analyser. Le mouvement de la cible entraîne un déplacement du bras du laser se réfléchissant sur celle-ci par rapport au bras fixe, ce qui entraîne un mouvement des franges d'interférences. Il est souhaitable d'agrandir le diamètre du faisceau avant le premier séparateur afin de couvrir la surface de détection de la caméra. On peut utiliser un laser Hélium-Néon stabilisé en fréquence pour éviter la dérive de fréquence d'un laser Hélium-Néon classique et ainsi améliorer la résolution du dispositif. Des moyens sont prévus pour agrandir le diamètre dudit faisceau avant le premier séparateur afin de couvrir la surface de détection de la caméra. Les deux bras sont ensuite recombinés et imagés sur une caméra 5 16. Cette caméra collecte les franges d'interférences. Les moyens de traitement d'image 17 en sortie de caméra fournissent les variations en angle et en position en temps réel de la surface en mouvement et permettent ainsi de corriger via des moyens 18 les mouvements de la surface. 10 En effet lorsque la surface est amenée dans un mouvement de rotation autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à sa surface, les structures d'entraînement et les défauts d'alignement peuvent conduire à générer des écarts d'orientation et de position par rapport à une surface idéale fixe d'interaction. Ce sont ces écarts que permet de compenser le 15 dispositif de l'invention, en les mesurant et en prévoyant une boucle d'asservissement pour les corriger en agissant sur ladite surface mobile. Les figures 2a, 2b, 2c et 2d sont relatives respectivement à une position standard de référence de la surface et définie dans un repère (X,Y,Z), à une rotation de ladite surface en y, à une rotation de ladite surface 20 en x et à une variation en profondeur et montrent dans chacun des cas précités l'évolution des franges d'interférences détectées sur la caméra comme il sera explicité ci-après dans la suite de la description. A l'aide de moteurs de précision montés sur la surface en mouvement, une boucle de rétroaction permet de compenser en temps réel 25 les variation d'angle et de position de la surface, et d'offrir à tout instant une surface en mouvement présentant toujours la même position et la même orientation. Ces moteurs sont avantageusement de très petits moteurs de type pico-moteurs. 30 Exemple de dispositif de contrôle de position selon l'invention : Les figures 3a, 3b et 3c illustrent à ce titre un exemple de porte-cible équipée du dispositif de l'invention. La figure 3a illustre une vue en coupe d'une plate-cible sur laquelle 35 est montée la surface appelée cible 10 destinée à être mise en rotation via des moyens 70. Des moyens de mise en translation sont également prévus, il peut s'agir d'un moteur de déplacement latéral 40. Une structure dite porte-cible permet grâce à un ensemble de moyens dédiés de mettre la surface 10 en mouvement et positionnée sur un 5 support 20. Le porte-cible est soumis à un mouvement de rotation (dont l'axe est perpendiculaire à la surface de la cible) et de translation (parallèlement à la surface de la cible). La rotation est motorisée par les moyens 70, et un roulement à bille permet la rotation de la cible. La translation est aussi 10 motorisée par un moteur de déplacement latéral 40, grâce à un moteur pas à pas, dont le corps est fixé à la partie mobile de la platine de translation et la vis à la partie fixe. De plus, cinq moteurs permettent de modifier la position en profondeur de la cible ainsi que son orientation. Les deux moteurs 61 et 62 15 positionnés derrière la cible permettent un pré-alignement de la cible par rapport à l'axe de rotation, afin que la surface de la cible soit la plus perpendiculaire possible à l'axe de rotation. L'alimentation des deux moteurs est réalisée grâce à un contact tournant. Les trois autres moteurs 51, 52 et 53 pouvant typiquement être des 20 pico-moteurs permettent d'effectuer le pré-alignement de la platine de translation parallèlement à la surface de la cible, et sont ceux qui sont utilisés lors des alignements fins en profondeur et en orientation. Ils sont disposés en � trait-point-plan �, pour faciliter les alignements. Une équerre 21 et une potence 22 sont utilisées pour compenser le poids de la cible et 25 soulager les moteurs. Deux ressorts 26 permettent un réglage précis de la compensation du poids de la partie tournante du porte-cible. La potence 22 comporte des éléments de fixation permettant de fixer un support intermédiaire destiné à supporter la cible. Elle est par ailleurs solidarisée à une plaque 23 actionnée par le moteur de 30 déplacement latéral 40. L'ensemble peut être fixé de manière amovible sur le porte-cible. La figure 3b montre la surface mobile de face et met en évidence le mouvement de translation pouvant être apporté par le moteur de déplacement latéral 40. La figure 3c illustre une vue dite arrière de la plateforme équipée du dispositif et met en évidence l'ensemble des pico-moteurs 51, 52 et 53 disposés en � trait-point-plan �, de manière à pouvoir corriger des défauts d'orientation de la surface mise en rotation par les moyens 70. Les différents éléments motorisés sont commandés par un pilote de commandes qui transmet les informations issues de l'analyse temporelle effectuée par le logiciel à partir des images récoltées par la caméra 16 illustrée en figure 1. Cette caméra 16 enregistre les franges d'interférences portées par le faisceau d'interférence 11/12. La caméra capture les mouvements des franges d'interférences qui 15 sont ensuite analysés par un programme informatique adapté à ce besoin et basé sur la transformation de Fourier. Ce programme informatique permet de déterminer : - la variation du pas du réseau de franges (nombre de franges sur la caméra ; 20 - le décalage du réseau de franges (position absolue du réseau de franges par rapport au bord de la caméra) ; - et l'inclinaison des franges (angle des franges par rapport à l'axe y vertical de la caméra). A partir de ces informations, les moyens de traitement logiciel de ces 25 informations créent une image de la cible et détermine la position en profondeur de la cible, ainsi que l'orientation de la cible, c'est-à-dire les deux coordonnées verticales et horizontales du vecteur normal à la surface de la cible. Les moyens de traitement logiciel caractérisent donc complètement et en temps réel le mouvement de la cible. 30 La variation instantanée de la position en profondeur et de l'inclinaison de la cible est ensuite communiquée aux trois moteurs d'alignement fin, afin qu'ils compensent ces variations. Cette boucle de rétroaction permet donc de s'assurer que la surface présente toujours une position en profondeur et une orientation identique et contrôlée. La figure 4a illustre un exemple de franges recueillies par la caméra. Cette analyse est menée en continu à raison d'une prise d'image et d'analyse correspondant à environ une dizaine par seconde. Chaque prise d'image conduit après traitement à restituer sur l'écran une image à proprement parler de la surface analysée. Selon une variante, il peut être envisagé d'introduire des variations colorimétriques qui indiquent l'orientation et la position en profondeur de ladite surface. La figure 4b illustre les prises successives d'image de la surface mise en rotation et traduit en ordonnées la position en termes de profondeur exprimée en micromètres en fonction d'une abscisse temporelle. Typiquement lors d'une succession d'environ 2000 images on observe des écarts de position de l'ordre de quelques micromètres pour une surface mise en mouvement d'environ une quinzaine de centimètres de diamètre. A partir de ces figures de franges d'interférences, et de l'évolution temporelle de déplacement des franges d'interférences, il est possible de déterminer les mouvements indésirables de la surface en mouvement et de corriger ces derniers grâce à l'emploi des moteurs décrits précédemment et commandés depuis les informations déduites de l'analyse temporelle des franges d'interférences. Le dispositif optique de contrôle de l'orientation et de la position d'une surface en mouvement par mesure interférométrique selon l'invention est particulièrement adapté à la génération d'un faisceau secondaire issu de l'irradiation d'une cible sous l'action d'un faisceau laser primaire. En effet de nombreuses applications nécessitent, pour utiliser une source optique dite secondaire générée à partir d'une source primaire, de maintenir avec une très grande précision la surface d'interaction au niveau du point focal de la source primaire et de maitriser son orientation, c'est-à-dire de contrôler avec précision le point source de l'émission secondaire. Or lors de l'utilisation d'une cible irradiée par une source primaire pour générer une source secondaire, il est indispensable de régénérer ladite cible et donc d'en prévoir le déplacement de manière à exposer en permanence une surface vierge. Il peut avantageusement être prévu des moyens de mise en rotation de ladite cible. Néanmoins ces moyens entraînent inévitablement des distorsions au niveau de ladite cible qu'il convient de corriger en temps réel d'où la nécessité de disposer d'un dispositif tel que celui de l'invention. Exemple de réalisation d'une source secondaire de type 5 harmonique comportant le dispositif de contrôle de position de l'invention La source secondaire visée est une source impulsionnelle de très courte durée F2 destinée à pouvoir analyser des phénomènes physiques extrêmement rapides. 10 Un faisceau incident impulsionnel de type femtoseconde F1 à une première longueur d'onde À1 par exemple issu d'une source optique primaire, est envoyé sur une cible 10 animé d'un mouvement de rotation. Typiquement la cible peut être un disque de verre dont l'interaction avec le faisceau primaire génère l'émission d'un faisceau de type 15 harmonique (c'est-à-dire à des longueurs d'onde supérieures à celle du faisceau primaire incident) que l'on peut comprimer pour obtenir un faisceau d'une durée de l'ordre de quelques dizaines ou centaines d'attosecondes. Le faisceau ainsi généré correspond au faisceau F2 représenté en figure 5. La cible est par ailleurs montée sur un porte-cible telle que celle 20 représentée sur les figures 3a à 3c. La zone d'impact du faisceau laser continu de contrôle 11 destiné au dispositif de contrôle se situe dans une région de la cible proche mais différente de celle de la zone d'impact du faisceau primaire F1, pour ne pas dégrader l'image du faisceau d'analyse. 25 L'ensemble des composants utilisés sont intégrés dans une enceinte sous vide 30 destinée à l'observation de phénomènes physiques, cette enceinte circulaire peut typiquement présenter un diamètre de l'ordre du mètre, on peut ainsi déceler des écarts de position de l'ordre de la dizaine de nanomètres avec une cible présentant un diamètre de l'ordre d'une 30 dizaine de centimètres. Ces écarts de position et d'orientation sont traités via les moyens 17 intégrés dans la boucle de rétroaction et issus des informations recueillies au niveau de la caméra 16 intégrée à l'enceinte. REVENDICATIONS1. Dispositif optique de contrôle de l'orientation et de la position d'une surface en mouvement (10) par mesure interférométrique, caractérisé 5 en ce qu'il comporte : - un faisceau laser de contrôle (11), séparé en deux bras, dont l'un est un faisceau référence, fixe, et l'autre est un faisceau d'analyse (12) réfléchi par la surface en mouvement et mobile; - des moyens pour faire interférer lesdits faisceaux référence et 10 d'analyse de manière à générer des franges d'interférences ; - des moyens (16) de type caméra pour imager les franges d'interférences, porteuses des informations d'orientation et de position de ladite surface; - des moyens d'analyse (17) desdites images d'interférences ; 15 - des moyens (18) pour générer une boucle de rétroaction de contrôle de l'orientation et de la position de ladite surface en mouvement à partir de l'analyse dudit signal porteur d'informations. 2. Dispositif optique de contrôle de l'orientation et de la position 20 d'une surface en mouvement (10) par mesure interférométrique, caractérisé en ce que les moyens d'analyse (17) desdites images d'interférences comportent des moyens d'analyse temporelle des paramètres suivants : - la variation du pas du réseau de franges correspondant au nombre de franges d'interférences imagées sur la caméra ; 25 - le décalage du réseau de franges en terme de position du réseau de franges d'interférences par rapport au bord de la caméra ; - l'inclinaison des franges d'interférences correspondant à l'angle des franges par rapport à l'axe vertical de la caméra défini dans un plan sensiblement parallèle à celui de la surface en mouvement. 30 3. Dispositif optique de contrôle de l'orientation et de la position d'une surface (10) en mouvement par mesure interférométrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens pour générer une boucle de rétroaction (17) comprennent un ensemble d'actuateurs 35 motorisés (51, 52, 53) couplés à ladite surface en mouvement (10) etdisposés en � trait-point-plan �, dans un plan sensiblement parallèle à celui de la surface en mouvement pour régler l'orientation et la position de ladite surface. 4. Dispositif optique de contrôle de l'orientation et de la position d'une surface (10) en mouvement par mesure interférométrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un laser Hélium-Néon générant le faisceau laser de contrôle stabilisé en fréquence. 5. Dispositif optique de contrôle de l'orientation et de la position d'une surface (10) en mouvement par mesure interférométrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface en mouvement est un disque de verre ou de métal ou de plastique. 6. Dispositif optique de contrôle de l'orientation et de la position d'une surface (10) en mouvement par mesure interférométrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens pour faire interférer lesdits faisceaux de référence et d'analyse de manière à générer un faisceau d'interférences comportent deux séparateurs de faisceaux (131,133) et un miroir de renvoi (132). 7. Dispositif optique de contrôle de l'orientation et de la position d'une surface (10) en mouvement par mesure interférométrique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour élargir le diamètre dudit faisceau laser placés en amont de la séparation du faisceau d'analyse, de manière à couvrir la surface de détection de la caméra. 8. Dispositif optique de contrôle de l'orientation et de la position d'une surface (10) en mouvement par mesure interférométrique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens d'analyse comportent des moyens de traitement d'image pour extraire les informations de variation de position et d'orientation de ladite surface par rapport à un plan de référence.35 9. Dispositif de génération de source secondaire issue d'une source optique primaire émettant un premier faisceau optique à une première longueur d'onde (À1) focalisée sur une surface en mouvement, avec laquelle ledit premier faisceau interagit de manière à générer un faisceau secondaire caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif optique de contrôle de l'orientation et de la position de ladite surface en mouvement selon l'une des revendications 1 à 8, de manière à déterminer l'orientation et la position du point d'émission de ladite source secondaire sur ladite surface. 10. Dispositif de génération de source secondaire issue d'une source optique primaire selon la revendication 9, caractérisé en ce que le faisceau de la source secondaire est de type X-UV, électrons, protons. 11. Dispositif de génération de source secondaire issue d'une source optique primaire selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que la surface en mouvement est montée sur un porte-cible, ledit porte-cible étant équipé de moyens de mise en rotation de ladite surface (51,52,53) et de moyens de translation (40) de ladite surface. 12. Dispositif de génération de source secondaire issue d'une source optique primaire selon la revendication 11, caractérisé en ce que le porte-cible et la surface en mouvement sont montés dans une enceinte à vide. 13. Dispositif de génération de source secondaire issue d'une source optique primaire selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le faisceau laser de contrôle est généré par une source laser continue ayant une longueur d'onde inférieure ou égale à la longueur d'onde de la source optique primaire pour assurer une grande précision de mesure. 14. Dispositif de génération de source secondaire issue d'une source optique primaire selon l'une des revendications 9 ou 13, caractérisé en ce que la source optique primaire est une source laser impulsionnelle femtoseconde.35 15. Dispositif de génération de source secondaire issue d'une source optique primaire selon la revendication 14, caractérisé en ce que la source secondaire est un faisceau laser harmonique de la source primaire d'une durée de quelques dizaines à quelques centaines d'attosecondes.5