Brevet FR2964504A1 — publié le 20120309

i DISPOSITIF ET PROCEDE POUR CARACTERISER UN FAISCEAU LASER PULSE L'invention concerne un dispositif et un procédé permettant notamment de caractériser un faisceau laser pulsé de haute énergie. Ainsi, la présente invention est utilisée pour mesurer la puissance instantanée d'un faisceau laser pulsé de haute puissance, ou l'énergie totale d'une impulsion laser et/ou la polarisation du faisceau. Io En général, la puissance des lasers de haute puissance est mesurée par absorption totale ou partielle du faisceau laser. Ceci conduit à consommer l'énergie du laser au niveau de la cible utilisée pour exécuter la mesure. Ceci se traduit par une perte d'énergie du faisceau et présente comme inconvénient de ne pouvoir utiliser le faisceau laser, simultanément à is la mesure de son énergie ou de sa puissance. Pour connaître la forme temporelle, il est connu d'extraire une partie du faisceau et de l'envoyer sur un autre appareil basé sur des photodiodes rapides. Pour déterminer la polarisation du faisceau laser il est nécessaire de posséder des polariseurs spécialement conçus pour les 20 hautes puissances et effectuer la mesure de l'énergie de l'impulsion en fonction de la polarisation. La figure 1 présente l'effet inverse de Cotton-Mounton ou ICME produit dans un milieu 1 par un faisceau laser se propageant dans le milieu en présence d'un champ magnétique transverse. 25 Définitions des termes utilisés Dans la suite de la description, l'expression « milieu actif » désigne un matériau, un cristal, un verre, un gaz, un liquide qui lorsqu'il est soumis à un champ magnétique externe va présenter un effet Cotton-Mouton inverse. 30 Le terme « caractériser ou caractérisation » d'un faisceau laser sera utilisé pour mentionner une mesure de puissance instantanée du faisceau, une mesure de puissance ou encore la détermination de la polarisation du faisceau. L'invention concerne un dispositif permettant de caractériser un faisceau laser pulsé traversant un milieu actif lorsque ledit milieu actif présente un effet Cotton-Mouton Inverse, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants : - un milieu actif dans lequel se propage ledit faisceau laser pulsé à caractériser, io ^ un moyen de production d'un champ magnétique transverse Bt, par rapport au milieu actif, - un dispositif de mesure du signal électrique traduisant l'aimantation générée au sein dudit milieu actif et caractérisant le faisceau laser pulsé par au moins un des paramètres suivants : la puissance 15 instantanée d'une impulsion dudit faisceau laser, la puissance intégrale d'une impulsion dudit faisceau laser, la polarisation dudit faisceau laser. Ledit milieu actif est, par exemple, soumis à le champ magnétique extérieur statique Bext. 20 Le dispositif de mesure du signal comporte, par exemple, au moins une bobine de type pickup. Le dispositif de mesures du signal peut comporter au moins deux bobines de type pickup placées de part et d'autre du milieu actif, la normale à leur surface, étant orientée sensiblement parallèlement au champ 25 magnétique Bext. Le dispositif de mesure électronique du signal traduisant la valeur d'énergie instantanée d'une impulsion du faisceau laser, ou la valeur de la puissance d'une impulsion comporte les éléments suivants : - un sommateur et amplificateur de bas bruit ayant pour fonction 30 d'éliminer le bruit parasite ne correspondant pas au signal associé à l'effet Cotton-Mouton inverse, le signal sommé et amplifié étant transmis à, - un filtre passe haut, puis à un intégrateur avant d'être transmis à un dispositif d'affichage et/ou à une mémoire de stockage. Le dispositif comporte, par exemple, une monture tournante dans lequel sont disposés le milieu actif, les moyens de production du champ magnétique. Le dispositif peut comporter un système d'adaptation optique. Ledit milieu actif est un cristal de TGG ou Terbium Gallium Io Carnet. Le champ magnétique est un champ variable dans le temps et en ce que le paramètre mesuré est une valeur de puissance constante ou sensiblement constante. 15 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un ou de plusieurs modes de réalisation donnés à titre illustratif et nullement limitatif annexés des figures qui représentent : - la figure 1, une représentation des l'effet inverse de Cotton-Mouton, 20 - la figure 2A, un exemple de dispositif de mesure selon l'invention, et la figure 2B, un exemple de circuit électronique associé, - les figures 3A et 3B, une variante de réalisation du dispositif de la figure 2A, - les figures 4A, 4B les résultats obtenus en utilisant un cristal de 25 terbium gallium garnet. La figure 2A schématise un exemple de dispositif donné afin d'illustrer les éléments du dispositif (1) selon l'invention. Sur cette figure 2A un milieu actif 10, est disposé entre deux 30 aimants permanents 11, 12 qui fournissent un champ magnétique statique BT orienté perpendiculairement à la direction de propagation D, du faisceau laser 13 à caractériser, sous l'effet d'un champ magnétique extérieur. Deux bobines pickup 14, 15, par exemple, détectent le signal d'aimantation dû à la propagation du faisceau laser dans le milieu actif et à la présence du champ magnétique BT. Ce signal est variable en fonction du temps. Les bobines pickup 14, 15 sont, par exemple, placées de part et d'autre du milieu actif 10. La normale à leur surface A14, A15, est orientée parallèlement au champ magnétique Bext. Les signaux électriques S14, S15 générés au niveau de chacune des bobines sont transmis à un circuit électronique de mesure dont un exemple de réalisation est donné à la figure 2B. io Dans le cas d'un milieu actif de type ferromagnétique, il n'est pas nécessaire d'utiliser un champ magnétique pour obtenir l'effet inverse de Cotton-Mouton. La forme et le nombre de spires des bobines sont choisis en fonction par exemple de la variation de flux magnétique. Il est possible is d'utiliser des bobines pickup de type planaire. Il serait aussi envisageable d'utiliser des bobines ayant une surface courbe qui suit au mieux les lignes de champ du champ magnétique extérieur. L'exemple donné mentionne deux bobines, mais sans sortir du cadre de l'invention, on pourrait effectuer la caractérisation du faisceau laser 20 en utilisant une seule bobine pickup ou un nombre de bobines supérieur à 2 selon l'application. De même, comme il sera présenté en figure 3A, les bobines pickup peuvent être reliées à des bobines de compensation permettant de limiter, voire annuler des effets parasites. Le milieu actif 10 est un milieu qui présente un effet Cotton- 25 Mouton inverse lorsqu'il est soumis à un champ magnétique extérieur ou bien dans un milieu ferromagnétique ou d'autres milieux qui n'ont pas besoin de sollicitation extérieure. Il est ainsi possible d'utiliser du cristal ou du verre. Des milieux actifs liquides ou gazeux peuvent aussi être envisagés. Les dimensions et la nature du milieu actif seront choisies en fonction de 30 l'application souhaitée. Par exemple, pour une utilisation dans le cadre des lasers très intenses, il est possible de choisir un milieu actif coulé à système d'adaptation optique de dimensions telles que la densité d'énergie du faisceau reste en dessous du seuil d'endommagement du milieu actif. La nature du milieu actif pourra aussi être choisie en fonction de la longueur d'onde du laser. s La figure 2A montre un système optique d'adaptation 20, représenté par une lentille d'entrée 201 et une lentille de sortie 202. Ce système permet avantageusement d'adapter la taille du faisceau laser à caractériser aux dimensions de l'appareil. Lorsque le dispositif de caractérisation selon l'invention est positionné dans un système existant, ce io système d'adaptation permet notamment d'adapter la taille du faisceau laser à caractériser aux systèmes optiques existants dans le système. L'ensemble comprenant le milieu actif 10, les aimants 11, 12 et les bobines 14, 15 peuvent être positionnés à l'intérieur d'une monture 30 tournante qui permet de tourner par rapport à un axe AR parallèle à la 15 direction de propagation du faisceau laser de façon à régler l'angle 8 entre la direction du champ magnétique transverse BT et la polarisation du laser dont la valeur de l'effet Cotton- Mouton inverse dépend. En mesurant le signal ICME en fonction de l'angle 8, on peut déterminer l'ellipse de polarisation du laser. 20 La figure 2B représente un exemple de circuit électronique (2) associé au dispositif de caractérisation du faisceau laser pulsé. Dans cet exemple, les deux bobines pickup 14, 15 de la figure 2A sont reliées à un sommateur et amplificateur 40 de bas bruit ayant pour fonction d'éliminer le bruit parasite ne correspondant pas au signal associé à 25 l'effet Cotton-Mouton inverse. Le signal sommé et amplifié St est transmis à un filtre passe haut 41, puis à un intégrateur 42 avant d'être transmis à un dispositif d'affichage 43 et/ou à une mémoire 44 de stockage. Le principe de fonctionnement du dispositif selon l'invention est le suivant : le dispositif de caractérisation d'un faisceau laser selon l'invention 30 est positionné sur le trajet optique du faisceau laser à caractériser (mesure de la puissance instantanée, de la puissance totale et/ou de la polarisation). Le système optique d'adaptation lorsqu'il est présent est optimisé de façon telle que le faisceau laser à caractériser conserve les caractéristiques à son utilisation première souhaitée après passage dans le dispositif, dans le milieu actif. Une manière de procéder lorsque l'on souhaite connaître la direction de la polarisation d'un faisceau laser polarisé linéairement est d'utiliser la monture tournante et de maximiser la valeur affichée à chaque tir laser, impulsion laser. Dans ce cas, on tourne la monture jusqu'à faire apparaître un signal maximum relevé au niveau du dispositif d'affichage. La Io monture étant graduée, sa position donne la direction de la polarisation du faisceau. Une fois ces réglages réalisés, la puissance instantanée de l'impulsion laser en fonction du temps pour chaque impulsion affichée par l'appareil donne une valeur absolue grâce à la calibration du dispositif (à 15 développer). L'intégrale de la puissance instantanée sur la durée de l'impulsion donne l'énergie totale Et de l'impulsion laser et enfin, la direction du champ magnétique statique, indiquée par la position angulaire de la monture tournante, puis donne la direction de polarisation du faisceau laser. Le champ magnétique extérieur utilisé pourrait être un champ 20 magnétique variable dans le temps, dont la loi de variation temporelle serait connue. Dans ce cas, il est possible de mesurer la valeur d'une puissance constante ou sensiblement constante du faisceau laser. L'exemple qui suit a été obtenu en utilisant le dispositif selon 25 l'invention avec comme milieu actif un cristal de TGG ou terbium gallium garnet. La source laser utilisée est un laser Nd :YAG (lambda = 1064 nm) générant des pulses de lumière d'une durée de 10ns et une énergie d'environ 0.5 J/pulse. Dans cet exemple illustré aux figures 3A et 3B, le faisceau laser 30 passe à travers 2 polariseurs 40, 41. Le second polariseur 41 fixe la polarisation du faisceau alors que le premier polariseur 40 est utilisé pour changer la puissance du laser délivrée au cristal TGG en faisant tourner son axe de rotation par rapport à la direction de polarisation donnée par le premier polariseur. Une lame demi-onde 42 est placée après les polariseurs pour faire tourner la polarisation laser si nécessaire. Des miroirs suiveurs 43 et une lentille permettent de délivrer et de focaliser le faisceau laser quelques centimètres derrière le cristal TGG. La taille du cristal est de 2*2*2 mm. Dans cet exemple, la forme du cristal est un cube immergé dans un champ magnétique parallèle à la direction [0, 0, 1]. La valeur du champ était comprise dans l'intervalle [0-2,5 T]. Le vecteur k de la lumière dans cette Io application est parallèle à la direction [0, 0, 1] et perpendiculaire au champ magnétique externe, c'est-à-dire parallèle à la direction [0, 1, 0]. Dans la suite le sigle Il indique une quantité mesurée pour une polarisation de la lumière parallèle au champ magnétique et un sigle 1 une quantité mesurée avec une polarisation de lumière perpendiculaire au champ externe. 15 Des changements dans la magnétisation du cristal ont été mesurés en utilisant un dispositif comprenant une bobine double pickup telle que celle décrite à la figure 2A, mais cette fois-ci constituée d'une bobine de compensation 50 et d'une bobine de mesure 51. La figure 3 représente une partie du dispositif de mesure constituant la zone de mesure. La bobine 20 signal 51 est mise au contact du cristal 10 à caractériser, alors que la bobine de compensation 50 est disposée à une certaine distance. Les caractéristiques et la forme de cette bobine double (signal et compensation) sont choisies de façon telle que tout signal qui ne résulte pas du cristal soit annulé. La distance entre les centres de chacune des bobines est, par 25 exemple, de 5 mm. Chaque bobine pickup est calibrée en mesurant le signal obtenu dans un champ magnétique modulé connu. Le signal de sortie des bobines est amplifié par un amplificateur rapide faible bruit et filtré au travers d'un filtre passe haut. Deux montages identiques sont utilisés, de part et d'autre du cristal. 8 Dans la figure 4A, sont représentés un pulse laser typique avec le signal correspondant détecté par un des deux signaux bobine. Les deux signaux sont enregistrés sur un oscilloscope avec 1 GS/s. Le faisceau laser pulsé est contrôlé simultanément au signal d'alimentation en extrayant une faible partie du faisceau injecté dans le cristal avec un séparateur de faisceau. Une diode rapide est utilisée pour contrôler le pulse laser ou l'impulsion laser. La photodiode a été calibrée par rapport à un dispositif mesurant l'énergie pulsée atteignant le cristal. Le signal ICMEV(t) est proportionnel à la dérivée temporelle du flux magnétique io dans la bobine de mesure pickup et peut être écrit comme(1) : dBp(t) V (t) = -gAe dt où g est le gain de l'amplificateur de la bobine de mesure. Ae= 10 mm2 est la zone effectivement calibrée de la bobine signal et Bp est la densité du flux magnétique au travers de la surface de la bobine de mesure produite par is l'aimantation M du cristal. Bp peut être écrit comme (2) dB p (t)/dt = bBexr dPd (t) dt où Pd est la densité du faisceau laser, Bext est le champ magnétique statique transverse et b est un facteur de proportionnalité caractérisant la valeur ICME. Ce facteur dépend des propriétés du milieu qui est illuminé par le faisceau laser et ainsi magnétisé. 20 L'équation (1) devient alors (3) V (t) = -gAebBext dPd (t) dt Ainsi, le signal ICME est proportionnel à la dérivée temporelle de l'intensité du laser pulsé comme il est représenté à la figure 4A montrant dans un diagramme d'axe temporel la valeur du signal ICME et la valeur de l'intensité 25 laser. La figure 4B représente la densité de flux magnétique pour une valeur de champ magnétique 2.5 T modifiant la valeur de l'énergie de pulse de 0 à 0.250 J. les données ont été obtenues dans deux configurations de la polarisation laser : l'une parallèle au champ magnétique correspondant à la densité de flux magnétique mesuré BpII, l'autre perpendiculaire au champ magnétique correspondant à Bpi. Le diamètre du spot laser dans le cristal était de 1.2 mm, correspondant à une densité d'énergie laser Pd comprise dans la gamme 0 ; 2.2 1013 W/m2. La figure 4B montre que la densité de flux magnétique dépend linéairement de la densité de puissance laser. i0 La magnétisation ICME dans un cristal TGG peut être définie comme suit (4): M =CICMPdBext Pour une magnétisation M de 1A/m, il a été trouvé une densité de champ magnétique d'environ 4*10.8 T. En utilisant un facteur de conversion f entre la is valeur de la densité du flux Bp et la magnétisation M du cristal d'environ 2.5 * 107 (A/m)T-1. L'invention permet notamment de mesurer à la fois la puissance instantanée d'un faisceau laser pulsé de haute puissance avec une réponse 20 temporelle inférieure à la nanoseconde, l'énergie totale de l'impulsion laser et la polarisation du faisceau. Le dispositif selon l'invention peut combiner trois fonctionnalités qui, dans les appareils de l'art antérieur connus du Demandeur sont en général séparés. Un autre avantage procuré par le dispositif et le procédé selon 25 l'invention est de pouvoir effectuer les mesures décrites précédemment, sans avoir besoin d'extraire ou d'atténuer une partie du faisceau. Le dispositif présenté peut être inséré dans un circuit optique existant sans le modifier. Il permet donc de visualiser l'impulsion laser et de mesurer ses caractéristiques pendant l'utilisation même du faisceau. 2964504 Io Selon un exemple d'utilisation, l'ensemble champ magnétique et bobine pickup peut être disposé autour d'un cristal laser, afin de mesurer l'évolution temporelle de la puissance dans le cristal. Une autre possibilité est d'intégrer le système dans un isolateur Faraday devenant à la fois un 5 isolateur standard et un appareil de mesures de puissance. 20 REVENDICATIONS1 - Dispositif (1) permettant de caractériser un faisceau laser pulsé traversant un milieu actif (10) lorsque ledit milieu actif présente un effet 5 Cotton-Mouton Inverse, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants : - un milieu actif (10) dans lequel se propage ledit faisceau laser pulsé à caractériser, - un moyen de production (11, 12) d'un champ magnétique transverse io Bt, par rapport au milieu actif (10), - un dispositif de mesure (2) du signal électrique traduisant l'aimantation générée au sein dudit milieu actif (10) et caractérisant le faisceau laser pulsé par au moins un des paramètres suivants : la puissance instantanée d'une impulsion dudit faisceau laser, la puissance 15 intégrale d'une impulsion dudit faisceau laser, la polarisation dudit faisceau laser. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit milieu actif (10) est soumis à le champ magnétique extérieur statique Bext. 3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif de mesure du signal (2) comporte au moins une bobine de type pickup (14, 15). 4 - Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dispositif de 25 mesure du signal (2) comporte au moins deux bobines de type pickup (14, 15) placées de part et d'autre du milieu actif (10), la normale à leur surface (A14, A15), étant orientée sensiblement parallèlement au champ magnétique Bext. 30 5 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit dispositif de mesure électronique (2) du signal traduisant la valeur d'énergie instantanée 20d'une impulsion du faisceau laser, ou la valeur de la puissance d'une impulsion comporte les éléments suivants : - un sommateur et amplificateur (40) de bas bruit ayant pour fonction d'éliminer le bruit parasite ne correspondant pas au signal associé à s l'effet Cotton-Mouton inverse, le signal sommé et amplifié étant transmis à, - un filtre passe haut (41), puis à un intégrateur (42) avant d'être transmis à un dispositif d'affichage (43) et/ou à une mémoire (44) de stockage. 10 6 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une monture tournante dans lequel sont disposés le milieu actif (10), les moyens de production du champ magnétique. 15 7 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un système d'adaptation optique (201, 202). 8 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit milieu actif (10) est un cristal de TGG ou Terbium Gallium Carnet. 9 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le champ magnétique est un champ variable dans le temps et en ce que le paramètre mesuré est une valeur de puissance constante ou sensiblement constante. 25