Brevet FR3019389A1 — publié le 20151002

LASER FEMTOSECONDE A GRANDE PUISSANCE IMPULSIONNELLE DESCRIPTION Domaine technique [01] La présente invention se rapporte à un système femto seconde pour générer des impulsions laser à forte puissance pouvant aller jusqu'au terawatt-petawatt, tout en ayant une puissance moyenne de l'ordre du kW ou supérieur. [02] Plus précisément, l'invention concerne un système laser femto seconde comprenant : - une pluralité d'amplificateur laser à fibre optique émettant chacune un faisceau laser impulsionnel intermédiaire selon une longueur d'onde commune ; - des moyens de concentration de l'ensemble des faisceaux laser impulsionnels intermédiaires transformant l'ensemble des faisceaux laser impulsionnels intermédiaires en un unique faisceau laser impulsionnel final ; et - des moyens de synchronisation de la pluralité des amplificateurs adaptés pour gérer les décalages de front d'onde des faisceaux laser intermédiaires. Etat de la technique [03] Un tel système laser est décrit en détail dans la demande de brevet WO 2007/034317. [04] De façon générale, ce document décrit un amplificateur d'impulsions optiques comprenant : - Un extenseur destiné à l'extension d'une première impulsion, et à la génération d'une impulsion d'entrée ; - Un premier amplificateur à fibre optique pour recevoir l'impulsion d'entrée ; - Un diviseur connecté à une extrémité de sortie du premier amplificateur à fibre optique, le diviseur ayant une pluralité de sorties ; - Une pluralité d'amplificateurs à fibre optique, chacun étant s connecté à l'une des pluralités de sortie en vue de générer une pluralité de signaux d'impulsion de sortie. [5] Des études ont montrés qu'une telle architecture permet d'atteindre une puissance moyenne de l'ordre de la centaine de kilowatts, avec une puissance crête de l'ordre du térawatt-petawatt et avec une efficacité 10 énergétique de l'ordre de 30%. [6] Le fonctionnement général d'un tel laser consiste en l'injection d'une impulsion élargie temporellement dans le réseau de fibres. L'impulsion est alors élargie puis amplifiée par la pluralité d'amplificateurs à fibre optique avant d'être recompressée. Les amplificateurs à fibre utilisent des fibres 15 photoniques à large coeur fournissant quelques mJ par fibre. Par exemple, une fibre PCF a permis d'obtenir des impulsions de 2mJ à une fréquence de 5kHz. [7] En régime femto seconde, une combinaison cohérente de 4 fibres a été étudiée. La puissance moyenne obtenue était de 530W avec des 20 impulsions de l'ordre du mJ. D'autres études ont porté sur des réseaux de 64 fibres. [8] En sortie, les fibres sont collimatées par un réseau de microlentilles. La combinaison des impulsions dans le champ lointain est obtenue en synchronisant les phases de tous les faisceaux laser en sortie de fibres. 25 Pour cela, une mesure de phase après le réseau de microlentilles est réalisée et un signal de contrôle est envoyé à des modulateurs de phase placés en amont sur chaque fibre pour corriger les erreurs de phase. Récemment, une technique d'interférométrie collective a permis la combinaison cohérente de 16 fibres dont la phase était corrigée à la 30 cadence de 1 kHz. [09] Cependant, les amplificateurs à fibre optique générant de la chaleur, il est nécessaire de les prévoir avec un écartement relatif afin de permettre le passage d'un fluide caloporteur permettant le refroidissement de l'ensemble. [10] Aussi, afin d'obtenir au final un faisceau laser concentré, il est nécessaire de prévoir des fibres de transport à faible dissipation dont les sorties sont positionnées de sorte à générer des signaux de sortie dans une direction commune. Comme elles sont à faible dissipation, elles génèrent peu ou pas de chaleur et peuvent donc être positionnées pratiquement les unes contre les autres. Le plan de microlentilles est alors placé en aval de ces fibres de transport. [11] Cependant, la taille du faisceau de sortie ne peut pas être plus petite que celle produite par les fibres de transport au contact entre elles, ce qui, pour des quantités de fibre de plusieurs dizaines de milliers implique une largeur importante. Aussi faut-il disposer d'autres systèmes optiques en aval pour resserrer le faisceau. [12] Il existe donc un réel besoin pour un système laser palliant ces défauts, inconvénients et obstacles de l'art antérieur, en particulier d'un système laser permettant de maîtriser les problèmes d'évacuation de la chaleur tout en simplifiant l'architecture pour permettre d'obtenir un faisceau laser bien concentré spatialement. Description de l'invention [13] Pour résoudre un ou plusieurs des inconvénients cités précédemment, le système laser selon l'invention comprenne : - une pluralité d'amplificateur laser à fibre optique émettant chacune un faisceau laser impulsionnel intermédiaire selon une longueur d'onde commune ; - des moyens de concentration de l'ensemble des faisceaux laser impulsionnels intermédiaires transformant l'ensemble des faisceaux laser impulsionnels intermédiaires en un unique faisceau laser impulsionnel final ; et - des moyens de synchronisation de la pluralité des amplificateurs adaptés pour gérer les décalages de front d'onde des faisceaux laser intermédiaires, [14] Avec cet objectif en vue, le système laser selon l'invention, par ailleurs conforme au préambule cité ci-avant, est essentiellement caractérisé en ce que la pluralité des amplificateurs laser sont positionnées de telle sorte que les faisceaux laser impulsionnels intermédiaires se propagent le long des rayons d'une sphère. [15] Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, 1.0 utilisables seuls ou en combinaison, sont : - en sortie de chaque amplificateur laser est positionnée une microlentille convergente telle que le faisceau laser impulsionnel intermédiaire converge au centre de la sphère ; - les sorties des amplificateurs laser sont positionnées à égale 15 distance du centre de la sphère ; - les sorties des amplificateurs laser étant disposées sur une calotte sphérique de la sphère, la densité des sorties des amplificateurs laser et le rayon de la sphère sont choisis de sorte à minimiser l'ouverture numérique de la calotte 20 sphérique ; - l'ouverture numérique de la calotte sphérique est inférieur à 0,4 ; - les moyens de concentration comprennent une lentille convergente dont la distance focale objet est le centre de la 25 sphère ; - les moyens de concentration comprennent : - un premier miroir parabolique dont le foyer est le centre de la sphère générant un faisceau collimaté; - une lentille convergente ayant en entrée le faisceau 30 collimaté et dont le point focal image est le foyer d'un second miroir parabolique ; - les amplificateurs laser à fibre optique générant des faisceaux laser impulsionnels à spectre élargi, des moyens de compression sont agencés en sortie des moyens de concentration pour compresser l'impulsion laser à spectre élargi de sorte à générer une impulsion laser à durée réduite. [16] Dans un second aspect de l'invention, le système laser de l'invention est utilisé pour la destruction des déchets spatiaux. Brève description des figures [17] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d'exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles : - La figure 1 représente un système laser comprennant un réseau des fibres amplificatrices selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - La figure 2 représente un diagramme de l'ouverture numérique en fonction de la dégradation de l'intensité ; et - La figure 3 représente un système laser comprennant un réseau des fibres amplificatrices selon un second mode de réalisation de l'invention ; Modes de réalisation [18] En référence à la figure 1, un système laser comprend un réseau de fibres amplificatrices 1. Le détail d'un tel réseau est explicité dans le document WO 2007/034317 et ne sera pas repris ici sauf pour les parties spécifiques aux modes de réalisation décrits ci-après. [19] Ce réseau 1 comprend en sortie une pluralité d'amplificateurs laser 3 à fibre optique émettant chacune un faisceau laser impulsionnel intermédiaire selon une longueur d'onde commune. [20] Les sorties de ces amplificateurs laser 3 sont positionnées sur une sphère de rayon R de telle sorte que les faisceaux laser impulsionnels intermédiaires suivent les rayons de la sphère pour passer par le centre O de celle-ci. [21] En sortie de fibre, le rayon laser étant naturellement divergent, une matrice sphérique de microlentilles 5 focalise le rayon laser sur le centre O de la sphère. [22] Avantageusement, la convergence des lentilles est calculée de telle sorte que le centre O de la sphère corresponde au point focal image des lentilles, ce qui permet une convergence des rayons laser sur le centre O. [23] Dans ce premier mode de réalisation de la figure 1, une lentille convergente 7 dont le point focal objet est le centre O de la sphère est positionnée en aval, par rapport au parcours des faisceaux laser, de ce centre O. Ainsi en sortie de lentille, l'ensemble des faisceaux optiques sont parallèles, en champ lointain. [24] Pour que l'ensemble des faisceaux laser passent par la lentille 7, l'ouverture numérique de la lentille est fixée par l'ouverture numérique de la sphère : la taille de la lentille 7 est donnée par le ratio longueur focale de la lentille sur rayon de courbure de la sphère et par l'ouverture numérique de la sphère. [25] La lentille forme donc un moyen de concentration et de collimation de l'ensemble des faisceaux laser impulsionnels. [26] Une partie du faisceau est prélevée en aval de la lentille 7, interfère avec une onde de référence et la figure de diffraction est imagée sur une matrice de capteurs 9 connectée à des modulateurs de phase 11 associés aux fibres amplificatrices de sorte à synchroniser le front d'onde des impulsions de l'ensemble des faisceaux lasers impulsionnels. Ces moyens de synchronisation sont décrits dans le document précité ou peuvent être du type décrit dans le préambule. Grâce à ces moyens de synchronisation, il est possible de former n'importe quel type de front d'onde en agissant sur le déphasage de chaque fibre. L'erreur sur le front d'onde généré est d'autant plus faible que le nombre de fibre est grand. [27] Le mode de réalisation décrit à l'avantage de la simplicité. Cependant, il apparaît qu'il est sensible à l'ouverture numérique de la sphère. En effet, figure 2, plus l'ouverture numérique de la sphère augmente, plus il y a distorsion du faisceau final en champ lointain. Cette distorsion conduit à une réduction de l'efficacité de la recombinaison en champ lointain. Ainsi, avec une ouverture numérique de 0,25, la détérioration de la combinaison, qui se traduit par une dégradation de l'intensité, atteint 5% et 15% quand l'ouverture numérique est supérieure à 0,4. [28] Pour minimiser cet inconvénient, un second mode de réalisation est identique au premier mode de réalisation sauf en ce qu'il remplace la lentille 7 par un système optique de 3 composants, figure 3. [29] Le premier composant est un miroir parabolique 21 dont le foyer est le centre de la sphère O. Ce premier miroir parabolique 21 génére un faisceau parfaitement collimaté grâce au stigmatisme parfait de la conjugaison optique entre la sphère et le miroir. [30] Cependant, la taille des faisceaux intermédiaires en sortie du miroir 21 n'est pas identique pour chaque faisceau en fonction de son angle par rapport à l'axe de symétrie du miroir parabolique. [31] Une lentille 23 est utilisée pour focaliser le faisceau collimaté au foyer d'un second miroir parabolique 25. Le faisceau est alors collimaté de nouveau mais avec une taille identique de chaque faisceau élémentaire grâce à un ajustement entre l'axe optique de la sphère, l'axe optique du premier miroir parabolique 21, la longueur focale de la lentille 23 et sa position. [32] Avec ce dispositif optique de concentration, il n'y a aucune dégradation de l'intensité même avec une ouverture de 0,5. [33] La matrice de capteurs 9 permettant la gestion du front d'onde peut être installée en sortie du second miroir parabolique 25 comme montré dans la figure 3, ou entre le premier miroir parabolique 21 et la lentille 23. [34] Organiser les sorties des fibres optiques amplificatrices selon les rayons d'une sphère offre plusieurs avantages par rapport au dispositif classique dans lequel les sorties sont organisées en parallèle selon un axe. [35] Premièrement, plus on s'éloigne du centre de la sphère, plus l'espacement entre les fibres augmente (principe de l'angle solide constant) permettant ainsi d'organiser un meilleur dispositif de refroidissement de ces fibres, tout en réduisant, voire en supprimant, les fibres de transport. [36] Deuxièmement, il facilite l'augmentation du nombre de fibres amplificatrices mises en parallèle. En effet, dans le système antérieur, la taille de la lentille de Fourier en sortie augmente comme la racine carrée du nombre de fibres. Pour 10 000 fibres, le diamètre de la lentille est de o l'ordre du mètre. Dans le cas de géométrie sphérique décrite, il suffit d'augmenter le rayon de la sphère quand le nombre de fibres augmente, gardant ainsi une ouverture numérique de la sphère constante et donc une dimension des composants optiques raisonnables. [37] Le système laser décrit a l'avantage d'être entièrement solide avec 15 un bon rendement énergétique par rapport à des lasers de puissance équivalente de type laser chimique. Il paraît donc particulièrement adapté pour fonctionner dans des environnements difficiles comme l'espace. [38] Aussi, sachant que les déchets en orbite autour de la terre commencent à poser, de part leur nombre, des problèmes et des dangers 20 pour les satellites et les stations orbitales, il est particulièrement avantageux d'utiliser un laser à fibres comme décrit ci-dessus pour détruire ces débris. En effet, ce type de laser peut être installé sur un satellite et envoyé dans l'espace. [39] Contrairement à un tir depuis la terre, un fonctionnement en régime 25 femtoseconde est envisageable puisqu'on s'affranchit des problèmes liés à la traversée de l'athmosphère par le faisceau laser. Pour un déchet métallique, un tel régime est plus efficace (au moins un facteur 10) et permet de réduire la fluence optimale sur la cible (au moins un facteur 10). A cela s'ajoute une distance de tir sur le débris plus courte (environ 50 30 km). Au total l'énergie par pulse délivré est bien plus faible (10kJ pour un laser tirant depuis la terre contre 10J pour un laser satellisé. [40] La cadence de tir est aussi un paramètre qui avantage un laser de type CAN. Elle est de 10 Hz pour un système basé sur le sol alors qu'elle peut être augmentée à 100 Hz voir 1KHz pour un laser satellisé. Le rendement énergétique du laser décrit étant d'environ 30-40%, la s puissance électrique nécessaire au fonctionnement du satellite sera de 10 kW à 40 kW suivant le taux de répétition choisi. La puissance thermique générée par le fonctionnement du laser sera de 100W à lkW selon le taux de répétition choisi. [41] La durée et l'intensité de l'impulsion laser seront ajustables afin 10 d'assurer l' utilisation optimale de l'énergie laser. En effet suivant la nature de la cible, diélectrique ou métallique, les intensités d'ablation seront différentes. [42] Par ailleurs, les moyens de synchronisation peuvent être utilisés pour former des fronts d'onde particulièrement adaptés à l'objet à détruire. 15 [43] Pour rappel, la destruction d'un déchet spatial consiste à lui donner une impulsion l'amenant à changer d'orbite pour, le plus fréquemment, le rapprocher de la terre afin qu'il brûle dans les couches hautes de l'atmosphère, ou, plus rarement, l'envoyer sur une orbite de garage où il ne nuira pas. 20 [44] L'article de A.M. Rubenchik et al. « Laser Systems for Orbital Debris Removal », HPLA 2010, Santa Fe, NM, United States, LLNL-PROC423323 établit les caractéristiques nécessaires d'un laser dans une telle utilisation depuis la terre. [45] Il apparaît alors que le système laser décrit ci-dessus répond 25 parfaitement aux besoins. [46] Considérons une impulsion de 500 fs avec une densité d'énergie optimale sur le débris de 0.1J/cm2. 200J sont alors nécessaires pour faire changer un débris d'un gramme d'une orbite de 500km à une orbite de 100km pour qu'il puisse être capturé par l'atmosphère. [47] Si on considère que les débris les plus dangereux sont de l'ordre de 200000 et pèsent 70g en moyenne, cela représente une masse totale de 14 tonnes sur une orbite moyenne de 500km. [48] L' énergie pour faire changer ces débris d'une orbite de 500km à une orbite de 100km pour qu'ils soient détruits lors de leurs rentrées dans l'atmosphère doit être de l'ordre de 2.8 1090J. [49] Si le laser fournit 10J à 1 kHz ou 104 J/s ce qui au bout d'une journée, soit 105s, donne une énergie fournie 109J. [50] Ainsi donc, en théorie, ce laser n'aurait besoin que d'une journée seulement pour faire brûler les débris par l'atmosphère. Bien évidemment, le temps nécessaire sera beaucoup plus long puisqu'il faudra positionner le laser, ajuster l'angle de tir pour que le débri soit propulsé sur la bonne orbite, etc. [51] Par ailleurs, il est remarquable de noter qu'un tel laser est capable de changer le front d'onde toutes les ms et donc est sûr de faire mouche sur chaque débris. En effet, en ajustant la phase de chaque émetteur on peut défléchir et focaliser le faisceau de manière à impacter la cible avec la fluence optimale. [52] Convertir la longueur d'onde du laser en une longueur d'onde plus courte pourra être envisagé. Cela permettrait d'augmenter la fluence incidente sur la cible car en effet le spot laser serait plus petit (sous réserve que le rendement de conversion ne soit pas trop faible). En conséquence, la quantité de mouvement transférée à la cible par unité d'énergie serait plus importante. Réduire la longueur d'onde permettrait aussi d'augmenter la portée du laser ce qui permettrait d'augmenter le temps d'interaction avec la cible et le nombre de cibles visées par unité de temps. [53] Un tel laser serait de 1m de diamètre et pèserait moins de 10 tonnes, ce qui est dans les dimensions des gros satellites mis actuellement en orbite. [54] L'invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d'exemple et non comme limitant l'invention a cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles. s [55] Par exemple, un étalement de spectre est en général réalisé sur la première impulsion de façon à optimiser l'amplification sans détruire les fibres amplificatrices. Cela implique l'installation de compresseur. Celui-ci peut être installé en sortie de chaque fibre amplificatrice, ou plus avantageusement, en sortie du système laser, sur le faisceau collimaté 10 final. [56] Dans les revendications, le mot « comprenant » n'exclue pas d'autres éléments et l'article indéfini « un/une » n'exclue pas une pluralité. 12 REVENDICATIONS1. Système laser femto seconde comprenant : - une pluralité d'amplificateur laser à fibre optique émettant chacune un faisceau laser impulsionnel intermédiaire selon une longueur d'onde commune ; - des moyens de concentration de l'ensemble des faisceaux laser impulsionnels intermédiaires transformant l'ensemble des faisceaux laser impulsionnels intermédiaires en un unique faisceau laser impulsionnel final ; et - des moyens de synchronisation de la pluralité des amplificateurs adaptés pour gérer les décalages de front d'onde des faisceaux laser intermédiaires, caractérisé en ce que la pluralité des amplificateurs laser sont positionnées de telle sorte que les faisceaux laser impulsionnels intermédiaires se propagent le long des rayons d'une sphère. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en sortie de chaque amplificateur laser est positionnée une microlentille convergente telle que le faisceau laser impulsionnel intermédiaire converge au centre de la sphère. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les sorties des amplificateurs laser sont positionnées à égale distance du centre de la sphère. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les sorties des amplificateurs laser étant disposées sur une calotte sphérique de la sphère, la densité des sorties des amplificateurs laser et le rayon de la sphère sont choisis de sorte à minimiser l'ouverture numérique de la calotte sphérique. 13 3019389 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ouverture numérique de la calotte sphérique est inférieur à 0,4. 5 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de concentration comprennent une lentille convergente dont le point focal objet est le centre de la sphère. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé 10 en ce que les moyens de concentration comprennent : - un premier miroir parabolique dont le foyer est le centre de la sphère générant un faisceau collimaté; - une lentille convergente ayant en entrée le faisceau collimaté et dont le point focal image est le foyer d'un second miroir parabolique. 15 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les amplificateurs laser à fibre optique générant des faisceaux laser impulsionnels à spectre élargi, des moyens de compression sont agencés en sortie des moyens de concentration pour 20 compresser l'impulsion laser à spectre élargi de sorte à générer une impulsion laser à durée réduite. 9. Utilisation d'un système laser femto seconde selon l'une quelconque des revendications précédentes pour la destruction des déchets 25 spatiaux.