Diapositive 1 - ROP : Réseau Optique et Photonique

1
Approche théorique
et mise en œuvre expérimentale
de l’optique adaptative sur les lasers
Programme
Mardi 27 Mai
09h00-10h30 : - Optique adaptative appliquée aux lasers, J.-C. Chanteloup/ B. Wattellier.
10h30-12h30 : - 1ère séance de travaux expérimentaux.
MRCT
12h30-14h00 : - Pause déjeuner à l’Ecole Polytechnique.
14h00-16h00 : - 2nde séance de travaux expérimentaux.
16h00-17h00 : - Table ronde autour des besoins des participants et évaluation de la formation.
Séance I
TP Construction d'une boucle d'Optique Adaptative avec Interféromètre à décalage quadrilatéral
TP Etudes des aberrations d’un faisceau avec lentille
TP Boucle d'Optique Adaptative avec Shack Hartmann
Séance II
TP Mode du miroir/rôle de la taille du faisceau
TP Boucle à haute résolution avec valve à cristaux liquides
TP Boucle d'Optique Adaptative sans mesure de surface d'onde
2
Plan du cours
Partie I - Introduction, Définitions, Exemples de senseurs de surface d’onde,
J.-C. Chanteloup (CNRS)
Partie II - Les principales techniques d’analyse de surface d’onde
utilisées en optique adaptative, J. Primot (ONERA)
Partie III – Correcteurs de front d’onde, F. Rooms (Alpao)
Partie IV - Optique adaptative appliquée aux lasers,
J.-C. Chanteloup (CNRS) / B. Wattellier (Phasics)
3
4
Exemple de contexte lasers intenses: Plasmas et fusion
Les sources de dégradation de la surface d’onde des lasers
Contrôle passif de la phase spatiale
Approche compensatrice
Optique adaptative
5
Laboratoire Utilisation Lasers Intenses
Le LULI est le pôle civil français de l’interaction laser matière
Hall Laser KiloJoule
- 24 chercheurs
- 17 thésards
- 47 ingénieurs & techniciens
- 10 visiteurs
Salle Blanche
6
Les missions du LULI
Recherche en Physique des Plasmas créés par Lasers et Applications
Grande Installation Française et Européenne
lasers de puissance de forte énergie
installations expérimentales associées
développements laser et optique
Formation en Physique des Plasmas Chauds
Formation en Laser, Optique
electron jets
intense laser
electron clouds
expanding plasma
Accelerated
protons or ions
target
Chambre d’interaction
Pourquoi le LULI et les lasers de puissance de forte énergie ?
Pour produire et étudier des milieux très chauds et/ou très denses.
Production d’énergie au centre du soleil
Structure du centre des planètes
15 OOO OOO°
Millions d’atmosphères
Manteau
Noyau externe
Fe liquide
Noyau interne (graine) Fe solide
7
L'énergie focalisée chauffe la cible à des millions de degrés
Des puissances élevées focalisées sur de très petites surfaces
pour générer des plasmas chauds - et denses - et des champs extrêmes
Cible chauffée à des millions
de degrés (keV – MeV)
Faisceau
laser
(GW à PW)
Intensités 1013 - 1020 W/cm2
Champs transverses
et longitudinaux intenses
(1012 V/m - 105 Teslas)
Rayon de la tache focale : 1 mm à 1 µm
8
9
A ces températures, la matière devient plasma
Dans la matière froide
les électrons sont liés au noyau
Dans la matière chaude
les électrons sont détachés du noyau
électrons négatifs liés
électrons libres
noyau positif
noyau positif
Les deux chaînes kiloJoules en régime nanoseconde du LULI
Pilote
Hall
Laser KiloJoule
Commande Contrôle
Bancs de Condensateurs
Chambre d’interactions
10
11
Exemple de contexte lasers intenses: Plasmas et fusion
Les sources de dégradation de la surface d’onde des lasers
Contrôle passif de la phase spatiale
Approche compensatrice
Optique adaptative
Front d’onde et dégradation des tâches focales d’impulsions lumineuses
ρ ( x, y )
Surface
aberrante
d’onde plane
ϕ ( x, y )
Optique
de focalisation
Plan de cible
12
13
De multiples sources de distorsions de la surface d’onde
Sources de distorsions
Chaleur
- Thermique
- Non linéaire
Refroidissement
Barreau
amplificateur
Intégrale B
- Qualité des optiques
Types de correction
∆t =15 min.
- Correction passive
Taux de répétition
- Correction active statique
Filtrage spatial
- Correction active évolutive
Optique adaptative
(senseur/correcteur
de surface d’onde)
14
Effets thermiques cumulatifs
Si la fréquence des tirs est plus grande que
le temps de refroidissement du milieu à gain,
la chaleur s’accumule d’un tir à l’autre
D’après Koechner, Solid-State Lasers Engineering
15
Distorsions de phase d’origine thermique
Évolution temporelle de la valeur
crête-crête de la surface d’onde
après un tir de la chaîne 100 TW
Après un tir de 60 Joules
avec l’ensemble de la
chaîne amplificatrice
1.8
Crête-crête (lambdas)
1.6
Après un tir de 2 Joules
sans l’amplificateur
à disques
1.4
1.2
0
10
20
30
40
1
0.8
0.6
0.4
temps
(min:sec)
0.2
0:00
10:00
20:00
30:00
40:00
Illustration d’effets cumulatifs sur la chaîne 100-TW
T= 0 min
T= 20 min
T= 40 min
T= 80 min
T=100 min
T=120 min
Rapport de Strehl
Évolution de la tâche focale dans l’enceinte d’interaction.
Série de tirs 30J/300 fs toutes les 20 minutes.
Le temps de thermalisation est de 40 minutes.
Y (µm)
X (µm)
16
17
Quantifiquation de ces effets
30
25
1,5
20
1,0
15
10
0,5
Déphasage
Rapport de Strehl
5
temps (min)
0,0
0
0
20 40 60 80 100 120 140 160
Rapport de Strehl (%)
Déphasage exprimé en λ (=1057 nm)
2,0
18
Distorsions de phase spatiale d’origine non linéaire (effet Kerr)
n(r , z ) = n0 + n2 . I (r , z )
Indice non-linéaire de l’ordre de 10-16 cm²/W
I (r , z ) = I max exp( − r 2 )
Retard optique subi par un rayon repéré radialement par r lors
de la traversée d’une épaisseur dx de matériau non linéaire : ∆OPD( r ) = dx n0 + n2 I max exp − r 2
[
L’impulsion voit ses rayons paraxiaux (r~0) subir un retard plus important que ses rayons
périphériques. En conséquence ce faisceau va se focaliser (se défocaliser si (n2<0)
dϕ NL (r ) =
2π
λ
n2 I (r )dx
B=∫
℘
2π
λ
n2 I (r )dx
(
)]
Mesure de la phase non-linéaire d’une impulsion ultra-intense
Miroir
Lentilles
Miroir 4%
Phase non linéaire
Morceau
de verre
Phase originelle
de l’impuslion TW
Axe du
faisceau
incident
Réseau de
diffraction
Lentile
Sélecteur
d’ordres
Lentille
Senseur CCD
19
20
Mesures simultanées de la phase et de la distribution transverse d’énergie
Surface d’onde
Distribution transverse d’énergie
0.84λ ± λ/50
x
u.a.
y
x
y
Valeur de l ’intégrale B associée égale à ~3 radians (E = 45 mJ, τ = 100 fs, e = 1cm)
J.-C. Chanteloup et Al., Optics Letters, Vol. 23, No. 8, pp. 621-623 (1998).
21
Exemple de contexte lasers intenses: Plasmas et fusion
Les sources de dégradation de la surface d’onde des lasers
Contrôle passif de la phase spatiale
Approche compensatrice
Optique adaptative
22
Recours aux Lames de phase aléatoires
100 µm
La qualité de la focalisation des chaînes à verres étant
amoindrie par les effets thermiques, les physiciens des
plasmas utilisent des Lames de Phase Aléatoires (LPA) afin
de lisser la tache focale.
100 µm
Ainsi, les résultats d’interactions laser-matière sont reproductibles
car les LPA génèrent une distribution d’intensité statistiquement
connue: la figure de tavelure
Exemples de lames de Phases
23
24
Besoin d’un “mono-grain de tavelure”
100 µm
Le lissage par LPA génère une large distribution
focale d’énergie; ce qui:
-limite l’intensité maximum
-empêche l’étude d’interaction locales telles que
le transport thermique, l’instabilité des filaments,
etc...
20 µm
L’obtention d’une tâche focale limitée par la
diffraction permettra aussi de réduire le niveau de
complexité associé à la comparaison entre les
modèles et les résultats expérimentaux.
Une lentille se comporte comme un opérateur de Fourier
P
Objet
PFourier
lentille
f
25
f
e( xO , yO ) = a ( xO , yO ) exp iϕ ( xO , yO ) E ( x F , y F ) =
1 ~ x F y F 
 = A( x F , y F ) exp iΦ( x F , y F )
e
,
jλ f  λ f λ f 
26
Filtrage spatial
e( xO ) = a ( xO ) exp[iϕ ( xO )] avec a ( x0 ) = e − bx cos(2πν m x0 )
2
νm = 1 Tm est la fréquence spatiale de la modulation de période
La lentille se comporte comme un opérateur de Fourier :
Tm
r=
ϕ ( x0 ) a ( x0 )
f
λf
Tm
f
E(xF ) =
1 ~ x F 

e
λ f λ f 
27
Exemple de contexte lasers intenses: Plasmas et fusion
Les sources de dégradation de la surface d’onde des lasers
Contrôle passif de la phase spatiale
Approche compensatrice
Optique adaptative
28
Recours à une lame compensatrice (Laser Halna)
Surface d’onde déformée
Lame
compensatrice
Source de distorsions
(milieu amplificateur)
Surface d’onde corrigée
Surface d’onde incidence
Distribution focale d’énergie après 5 passages dans l’amplificateur YLF
Avec
lame
Sans
lame
30% de l’énergie dans
2X la limite de diffraction
60% de l’énergie dans
2X la limite de diffraction
Réalisation d’une lame de phase
Polissage classique
masses
Polissage magnétorhéologique
Outil d’abrasion
de petite taille
Optique
Polissoir
rotatif
Tramage successif
Optique
Test
Polissage
Test
Fin
Polissage
Test
Fin
30
Principe du polissage magnétorhéologique
0,95 λ
0,076 λ
Compensation thermique (Laser Halna)
31
Compensation thermique (Laser Halna)
32
Compensation thermique (Laser Halna)
33
Compensation thermique (Laser Halna)
34
Compensation thermique (Laser Halna)
35
36
Compensation thermique (Laser Halna)
Sans résistance chauffante
OPD> 15λ
Avec résistance chauffante
OPD<3λ
320 Watts de puissance de pompe à 5 Hz
Compensation thermique (sur LIGO)
LIGO est un interféromètre dont les bras font plusieurs km de long. Il a pour
objet la détection d’ondes gravitationelles
37
Compensation thermique (Laser Ligo) – Nature du problème
LIGO est un interféromètre dont les bras font plusieurs km de long.
Il a pour vocation la détection d’ondes gravitationnelles
Cavité de recyclage de la puissance
Power
Recycling
Mirror (PRM)
Input
Test
Mass (ITM)
Cavité “Bras”
End
Test
Mass (ETM)
La puissance optique absorbée par l’ITM créée une lentille thermique
38
Compensation thermique (Laser Ligo) – Solution au problème
L’idée consiste à ajouter de puissance optique périphérique par illumination laser de
l’ITM afin de compenser le gradient thermique afin d’obtenir un substrat plat
uniformément chaud.
Cavité de recyclage de la puissance
Power
Recycling
Mirror (PRM)
Input
Test
Mass (ITM)
Cavité “Bras”
End
Test
Mass (ETM)
39
Compensation thermique (Laser Ligo) – Utilisation d’axicons
Les axicons sont une famille de systèmes optiques à symétrie cylindrique dont les
surfaces sont coniques plutôt que sphériques.
Ils permettent notamment de convertir un faisceau gaussien en faisceau annulaire.
Tracé de rayons traversant
une paire d’axicons
40
41
Compensation thermique (Laser Ligo) – Set-up
Vue schématique de l’illuminateur laser permettant la compensation thermique.
to cavity
input mirror
projection telescope
flipper mirror
axicons
annular heating path
central heating path
visible
alignment
laser
rotating polarizer
slow power adjust
out-of-loop PD
mask (optional)
~5%
35W CO2 laser
in-loop PD
AOM
LIGO II
intensity stabilization servo
(audio frequencies)
Compensation thermique (Laser Ligo) – Mesure des aberrations
Plaque de Hartmann dont les ouvertures font 150 microns de diamètre
et sont distribués selon un maillage hexagonale avec un pas de 430
42
43
Exemple de contexte lasers intenses: Plasmas et fusion
Les sources de dégradation de la surface d’onde des lasers
Contrôle passif de la phase spatiale
Approche compensatrice
Optique adaptative
44
Optique adaptative
100 Joules avec AO
Miroir déformable
100 Joules sans AO
Senseur
Cible
45
46
Implantation du miroir déformable
Miroir
déformable
Ø 25
Silicate
Amplificateur
à disques Ø 108
Phosphate
Filtre
Spatial
45 / 108
Ø 45 Phosphate
Ø 25
Phosphate
Filtre
Spatial
16 / 25
Polariseur
Ø 45 Silicate
Cellule de
Pockels
Analyseur
Rotateur de
Faraday
Polariseur
Ø16 Silicate
Ø16 Phosphate
Filtre Spatial air
3 à 4mJ / 0,8 ns
100 J
Filtre Spatial 25 / 45
Oscillateur
Titane:Saphir
+
Amplificateur
Régénératif
Contrôle de la surface d’onde à l’aide d’un miroir déformable
Sans Miroir
Sans correction
Avec Miroir
Strehl ~0,20
Avec correction
…
Echelle de couleur normalisée au pic
…
Tirs lasers
de 100 Joules
Strehl ~0,90
46
47
Convergence rapide
2
Tirs de 70 Joules
espacés de 20 minutes
0.6
1.5
0.4
1
La boucle de rétroaction permet de passer de
l’image de gauche à celle de droite en trois
itérations (ci-dessous).
0.2
0.5
Numéro de tir
0
1
2
3
4
5
0
48
Grande stabilité tir à tir
16h30
20 µm
1
0.8
18h00
0.6
SR~0.5
Déphasage (λ)
SR~0.5
0.4
0.2
21h15
0
SR~0.6
0
1
2
3
Temps (h)
4
5
Les effets cumulatifs sont très sensiblement atténués
Sans correction
2,0
Ecart de phase maximum (l)
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
Non corrigé
Corrigé
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
20 40 60 80 100 120 140 160 180
Temps (min)
Avec correction
49
50
Courbes d’énergie encerclée
Sans correction
100
Energie encerclée (%)
80
Faisceau
de référence
10 Hz - 1 mJ
60
Avec correction
40
20
0
0
20
40
Coordonnée radiale (µm)
60
Parabole f/8
Miroir déformable entre les 2e et 3e étages d’amplification
Miroir
Déformable
Amplificateur
à barreau
Filtre
spatial
senseur SID-4
Mesure de champ lointain
100 mm
DM
51
52
Boucle OA chaine kilojoule
Mesures de la tache focale
avant et après fermeture
de la boucle d’optique adaptative
durant une série de tirs kJ
(un tir par heure)
Avant la fermeture
de la boucle
Après la fermeture
de la boucle
Avec AO
Énergie encerclée
Sans AO
Rapport de
Strehl ~0,7
Chaîne laser pompée diodes de forte puissance moyenne (Mercury)
Specification
Test
Result
45 x 75 mm

Maximum Stroke
> 3 waves

Flatness
< 1 wave

>3 GW/cm2

Adaptive Optic
Active aperture
Deformable mirror
Damage Threshold
The mirror uses piezoelectric actuators to either
push or pull the mirror surface into the desired
shape. The mirror has a “woofer-tweeter” design.
“Power”
or spherical
correction
(woofer)
Night N Opt Ltd.
High order
correctors
(tweeter)
53
Chaîne laser pompée diodes de forte puissance moyenne (Mercury)
Manufactured by NightN
41 actuators
54
Cartes de phase sur Mercury
Deformable mirror
Wavefront w/o AO
PV=2.2, RMS = 0.53
Wavefront w/ AO
PV=0.91, RMS = 0.16
Remaining uncorrectable distortions
are due to crystalline quality
Cette boucle d’optique adaptative est opérationelle sur un système de 600W moyens
Courbes d’énergie encerclée et M² sur Mercury
Sans boucle
Width, M2 = 3.14
Height, M2 = 11.06
0.10
0.08
Far field radius (X diffraction limited)
0
1.0
2
4
6
8
10
12
14
16
Beam
width 0.06
(cm)
0.04
0.8
With AO
0.02
No AO
0.00
0.6
Normalized
energy (J) 0.4
0
5
10
15
20
Distance (cm)
Avec boucle
Width, M2 = 3.01
Height, M2 = 7.65
0.10
0.2
0.08
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Far field radius (mm)
1.0
Beam 0.06
width
(cm) 0.04
0.02
0.00
0
5
10
15
Distance (cm)
20
Modulateur de phase à cristaux liquides adressé optiquement
Surface d'iso-potentiel
Surface d’onde
du faisceau
infra-rouge
cohérent
Cellule de cristal liquide
ϕ
Electrodes transparentes
ψ
λ lecture
BSO
n1
Surface d’onde
modulée
λadressage
n2
Lumière incohérente
à la longueur d’onde
d’adressage
E
E
1
2
V
Tension électrique appliquée sur les électrodes
P. Aubourg et al., Appl. Opt., 21, 3706 (1982).
57
58
Adressage optique de la valve électro-optique
Source lumineuse
incohérente
d'adressage
λ/8
Condenseur
λ/20 rms
Unité de calcul
SLM matriciel
adressée
électriquement
Lame
dichroïque
Masque appliqué
Système optique
imageur
Faisceau laser à corriger
Valve électrooptique
à cristaux liquides
Interféromètre à
décalage tri-latéral
achromatique
Ces résultats mettent en évidence la résolution spatiale élevée
du couple Interféromètre tri-latéral / Valve électro-optique
λ/130
λ/350 rms
59
Exemple de mise en forme de la surface d’onde
Surface d’onde
Interférogramme
60
Exemple de correction de la phase avec le modulateur
Surface d’onde Surface d’onde
aberrante
corrigée
Tache focale
aberrante
Tache focale
corrigée
Ø = 6 mm.
λ/2.8 rms
λ/42.7 rms
SR = 25 %
Rapport
de Strehl
SR = 96 %
u.a.
Distribution
d’énergie
dans le plan focal
1,7 λ
λ/5
u.a.
J.-C. Chanteloup et al., Optics Letters, Vol. 23, No. 6, pp. 475-477 (1998).
61
Exemple de correction de la phase avec le modulateur
Vue en trois dimensions de la surface d’onde avant et après correction
Source laser Nd:YAG Q-Switch
Fluence = 100mJ/cm 2
λ = 1,064 µm
Taux de répétition = 15 Hz
Diamètre de la pupille = 10 mm
λ/3
[λ/30]
Crête-crête
[rms]
1,4 λ
[λ/3]
Implémentation de la boucle d’optique adaptative sur la chaîne 100 TW
Miroir 0°
Ø 25
Silicate
Amplificateur
à disques
Ø 45 Phosphate
Filtre
spatial
Ø 25
Phosphate
Ø 45 Silicate
Rotateur de
Faraday
Modulateur
de phase à
cristaux
liduides
Pockels Cell
Polariseur
Ø16 Silicate
Ø16 Phosphate
SLM
pixélisé
100 J
lentilles
Réseau
de Diffraction
Masque
de sélection
des ordres
CCD
Source
Incohérente
62
63
Correction sur la chaîne 100 TW
Surface d’onde avant et après correction
Crête-crête
Ecart type
0.48 λ
0.13 λ
0.20 λ
0.04 λ
Contraintes d’implémentation
•
•
•
•
Pas d’accès direct à la ligne principale
Ajustement de la taille du faisceau
Ajustement du niveau d’éclairement
Ajustement spectral (impulsions brèves)
64
65
Contraintes d’implémentation
•
•
•
•
Pas d’accès direct à la ligne principale
Ajustement de la taille du faisceau
Ajustement du niveau d’éclairement
Ajustement spectral (impulsions brèves)
SID4
Ligne de prélèvement
66
Contraintes d’implémentation
•
•
•
•
Pas d’accès direct à la ligne principale
Ajustement de la taille du faisceau
Ajustement du niveau d’éclairement
Ajustement spectral (impulsions brèves)
SID4
Ligne de prélèvement
67
Contraintes d’implémentation
•
•
•
•
Pas d’accès direct à la ligne principale
Ajustement de la taille du faisceau
Ajustement du niveau d’éclairement
Ajustement spectral (impulsions brèves)
Densités neutres
(OD>5)
SID4
Ligne de prélèvement
68
Contraintes d’implémentation
•
•
•
•
Pas d’accès direct à la ligne principale
Ajustement de la taille du faisceau
Ajustement du niveau d’éclairement
Ajustement spectral (impulsions brèves)
Filtre interférentiel
SID4
Ligne de prélèvement
69
Effectuer une correction efficace sans avoir accès au faisceau réel
SID4
Ligne de prélèvement
Onde plane parfaite comme
référence de convergence
Fermeture classique de la boucle
(convergence vers une surface d’onde plane sur la ligne de prélèvement)
1
Effectuer une correction efficace sans avoir accès au faisceau réel
Onde sphérique parfaite
comme référence de
convergence
SID4
O.N.=0,18 (f/2.7)
Ligne de prélèvement
1 - Convergence au delà du foyer sur la ligne principale à l’aide d’un faisceau sonde
 correction des aberrations statiques
2 - Sauvegarde de la correction  obtention d’une référence pour la ligne de prélèvement
3 - Convergence sur la ligne de prélèvement avec le faisceau scientifique
 compensation globale de toutes les aberrations
75
Localisation de la correction et fréquences spatiales
Valve
Miroir Def.
(D/6)-1
Filtre Spatial
(D/10)-1
Valve
électro-optique
Fréquences
spatiales
Miroir
déformable
Filtrage spatial
76
CCD2
Correction ophtalmique avec un Shack-Hartman
Miroir déformable
Lame
séparatrice
670nm
LASER
Oeil
CCD1
Image
de la pupile
Réseau de
microlentilles
•Pupille d’entrée : 7 mm
•Illumination de la rétine : 15 µW
•Echantillonage de surface d’onde : 10x10
•Durée de reconstruction : 33+8 ms (36 polynômes de Zernikes)
IPLIT RAN
Adaptive Optics for Industrial & Medical Applications Group
77
Le miroir déformable utilisé
•Ouverture : 40 mm
•Nombre d’électrodes : 18
•Déformation maximum (defocus) : 9µm
•Bande passante : 0-5kHz.
•Amplitude de déformation à 100Volts DC :
El. #1, - 3.0µm
El. #2, - 1.5µm
El. ##3–10, - 0.6µm
El. ##11-18, - 0.5µm
Defocus
Astigmatism
Coma
Polynômes de Zernike
http://wyant.opt-sci.arizona.edu/zernikes/zernikes.htm
78
79
Dynamique des aberrations de l’oeil
1.0
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Z6
Z7
Z8
Z9
Z10
Z11
Z12
Z13
Z14
Z15
Z16
0.8
Aberration coefficients [µ]
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
Surface d’onde
reconstruite
(Défocus supprimé)
-1.0
0
4
8
12
Time [s]
16
20
80
Compensation des aberrations avec un miroir bimorphe
0.3
0.2
Zernike Amplitudes (µ)
0.1
Surface d’onde
reconstruite
0.0
-0.1
Defocus
Astigmatism 1
Astigmatizm 2
Coma 1
Coma 2
Spherical
Z9
Z10
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
0
2
4
6
Time (s)
8
10
Amélioration de l’imagerie de la rétine
81