Développements récents menés sur la technologie Monomorphe

JRIOA-2013
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Miroirs Déformables CILAS
Développements récents menés sur la
technologie Monomorphe pour
l’astronomie, les lasers de puissance et le spatial
R. Cousty, J.-C. Sinquin, H. Pages, A. Moreau, D. Groeninck
H. Krol, C. Grezes-Besset, R. Palomo
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Technologies Monomorphe (MONO) et Bimorphe (BIM)
La gamme de miroir BIM-MONO de Cilas est développée depuis
la fin de années 80 pour la correction de front d’ondes
Sous l’effet d’une tension électrique, des courbures locales sont
générées sur une surface optique réfléchissante (verre par
exemple) collée sur une plaque piézoélectrique (effet bilame)
Le réseau d’électrodes de la plaque piézoélectrique peut être
facilement adapté à des besoins de correction spécifiques
MONO = assemblage piézo/verre
BIM = assemblage verre/piézo/verre
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La diversité des besoins de correction pour une même réponse : le Monomorphe
Astronomie (grands télescopes terrestres)
Correction en temps réel des déformations de front d’onde évolutives et non prédictives
générées par les turbulences atmosphériques
Correction haute fréquence spatiale et temporelle (~100Hz)
Boucle fermée mis à part en MOAO (boucle ouverte avec phénomènes à corriger évolutifs et
difficilement prédictifs : exemple du démonstrateur CANARY équipé du SAM52 CILAS)
Lasers de puissance
Optimisation de la propagation des faisceaux en corrigeant les aberrations optiques induites
par les chaînes laser
Correction basse fréquence spatiale et temporelle (~10Hz)
Boucle fermée ou boucle ouverte (avec phénomènes prédictifs et répétitifs)
Spatial (observation de la Terre haute résolution, astronomie)
Compensation des déformations des miroirs primaires des télescopes spatiaux (dérives
thermiques, absence de gravité, défauts de polissage)
Correction basse fréquence spatiale et temporelle (<10Hz)
Suivant le profil de mission et les choix d’architecture télescope : boucle fermée ou boucle
ouverte (avec phénomènes prédictifs et répétitifs sur plusieurs orbites)
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Astronomie : BIM188 pour le télescope Subaru
Développement spécifique réalisé pour
NAOJ (National Astronomical
Observatory of Japan)
Première image du système AO188 en
2006
Miroirs supplémentaires en cours de
fabrication actuellement
Pupille utile
Ø90mm
Nombre d’électrodes
188 électrodes
Course totale (hors monture tip tilt)
±200µm PV WF
% course nécessaire pour mise à plan
<10%
Qualité optique
<30nm RMS WF
Angle de correction de la monture tip
tilt de l’Observatoire de Paris
±1250µrad
Activation type « Poussé-Tiré »
Merci à Shin Oya (NAOJ)
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Astronomie : MONO85-35 pour le télescope solaire SST
Développement spécifique réalisé pour ISP (Institute of Solar Physics)
Installation du miroir avec succès début 2013
sur le télescope solaire Suédois SST (1-meter Swedish
Solar Telescope)
Une des 85 fonctions d’influence
Pupille utile
Ø35mm
Nombre d’électrodes
85 électrodes
Course totale
±30µm PV WF
% course nécessaire pour mise à plan
10%
Qualité optique
<8nm RMS WF
Echantillonnage de la boucle
>1kHz
Nombre de modes pilotés
85 grâce à une optimisation globale du
design du MONO et de l’ASO
Merci à Göran Scharmer et Guus Sliepen (ISP)
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Göran Scharmer, Institute of Solar Physics
We have an impression that the granulation contrast
is higher this year than on previous years.
This is very likely due to high optical quality of the DM.
We are extremely pleased with all aspects of our new 85-electrode AO system!!
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Astronomie : Electronique de commande nouvelle génération
En complément de la gamme d’électronique
standard Cilas (ED32/ED64), développement d’une
électronique nouvelle génération (DMDE) alliant
grand nombre de voies de pilotage, haute tension et
large bande passante
Le premier exemplaire vient d’être qualifié et livré en
2013 pour équiper le système d’optique adaptative
du télescope GTC (Gran Telescopio Canarias)
Nombre de voies de pilotage
Jusqu’à > 10 000
Tensions
±400V
Bande passante
Jusqu’à 5kHz
Retard
< 50µs
Entrée numérique
sFPDP 2,5 Gb/s
Merci à Dolores Bello et Martí Pi (GTC)
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Lasers de puissance : la gamme MONO63
Modèle
Pupille
Course totale
MONO63-30
30mm
±30µm PV WF
MONO63-50
50mm
±40µm PV WF
MONO63-85
85mm
±60µm PV WF
MONO63-100
100mm
En cours de développement
MONO63-140
140mm
Développement prochain
63 électrodes
Différentes tailles de pupille disponibles
Qualité optique <10nm rms
Hysteresis <5%
Traitement optique métallique
et/ou diélectrique
Compatibilité avec un
fonctionnement sous vide
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Lasers de puissance : MONO63-30 pour HZDR
Premier MONO63-30 qualifié
en 2013 et livré au HZDR
(Helmholtz-Zentrum DresdenRossendorf) pour équiper le
laser 150 TW DRACO (Dresden
Laser Acceleration Source)
Merci à Stefan Bock et Ulrich Schramm (HZDR)
9
Lasers de puissance : traitement optique et tenue au flux
2012 : développements menés pour améliorer la
tenue au flux laser
Seuil de tenue au flux : 4J/cm² à 1064nm, 1ns en mode
1-on-1 et S-on-1 (10Hz, 500tirs)
Aucune dégradation suite à 100 000 tirs à 3.2J/cm²,
1064nm, 1ns
2013 : optimisation des procédés de dépôt pour
minimiser la déformation induite sur le miroir
Course nécessaire pour compenser les défauts
générés par le traitement :
50% de la course totale en 2012 1,5% en 2013 !!
Activités menées par le département
Couches Minces de Cilas (Aubagne)
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Lasers de puissance : les axes de développement
Poursuivre le travail mené sur la tenue au flux
Développer des monomorphes à grande ouverture (>200mm) sur demande spécifique
(hors catalogue MONO63)
Proposer une solution intégrée permettant de compenser en temps réel les dérives
temporelles potentielles de la forme du miroir en boucle ouverte (fluage du matériau
piézoélectrique, dilatations thermiques)
Compensation du fluage du piézo : démonstration théorique et expérimentale (JRIOA-2012)
Position Réelle (noir) et cible (rouge) confondues
Dérive Temporelle (%)
50
45
40
Creep (%)
35
30
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Temps (minutes)
Fluage naturel du piézo
~10% par décade temporelle
Fluage compensé
Erreur < 3% en boucle ouverte
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Spatial (observation de la Terre) : contexte et études préliminaires
Rappel des principaux résultats présentés aux JRIOA-2012
Les premières études numériques et expérimentales ont
permis de démontrer ou de fortement conforter :
La possibilité d’atteindre les performances de
correction visées relativement facilement (tension
<±200V pour des miroirs fonctionnant habituellement
à ±400V)
Prototype de démonstration pour validation
de la durée de vie
La compatibilité de la technologie vis-à-vis des
environnements spatiaux : vide, plages de
température, vibrations aléatoires
La validation de la durée de vie à l’aide d’une
campagne expérimentale menée par ASTRIUM SAS sur
un prototype CILAS (300 millions de cycles sans
défaillances)
Front d’onde à corriger
2.3µm PV
Erreur résiduelle
<6nm RMS WF
Premières estimations des performances théoriques
de correction avec un miroir sur catalogue
La capacité de fonctionner en boucle ouverte sur
certaines phases de la mission
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Spatial (observation de la Terre) : campagne d’évaluation Cnes
Une campagne d’évaluation a été réalisée par le Cnes sur des
éprouvettes représentatives de la technologie d’assemblage
des monomorphes Cilas
Une campagne de qualification formelle reste à mener pour
entériner ces bons résultats
Limite mécanique
Marge de fonctionnement sur la limite mécanique de ces
éprouvettes > 10 : pas de défaillance à 10x la déformée
nominale
Fatigue mécanique
Cyclage à la résonance mené jusqu’ à 1milliard de cycles :
aucune défaillance constatée
Limite électrique
Marge de fonctionnement x4 sur le champ coercitif
(dépolarisation du piézo)
Marge x6,5 sur la tension de claquage
Ces marges sont relatives à un fonctionnement nominal à
±400V et non pas ±200V tel que envisagé pour le spatial
Tenue en humidité
Aucune criticité relevée sur la fiabilité pour un
fonctionnement en ambiance humide du type salle
blanche
L'impact de ces sollicitations sur la qualité optique des composants n’a pas été analysé lors de cette campagne
Merci à Vincent Costes et Laurent Cadiergues (CNES)
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Spatial (observation de la Terre) : traitement optique
Livraison au Cnes début 2013 du premier miroir
déformable équipé d’un traitement optique Cilas
qualifié spatial
Machine de traitement PACA2M
Dépôts sous vide par
pulvérisation cathodique
Traitement d’optique de grande
dimension (jusqu’à 2m×2m)
Substrats verre, zerodur®, métal,
SiC, plastique, …
Dépôts métalliques et
diélectriques
Contrôle optique large bande insitu UV et proche IR
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Merci pour
votre attention
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